Камера сгорания газовой турбины - RU2669883C1
Код документа: RU2669883C1
Чертежи
Описание
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к конструкции камеры сгорания газовой турбины и, в частности, к конструкции камеры сгорания многосекционного типа, включающей в себя множество камер сгорания, предназначенных для сжигания смеси топлива и воздуха и соединенных между собой пламяпередающим патрубком.
Предпосылки создания изобретения
Одним из известных типов газовой турбины является газовая турбина многосекционного типа, которая включает в себя множество камер сгорания газовой турбины (именуемых далее камерами сгорания) в одной газовой турбине. Как правило, в газовой турбине многосекционного типа камеры сгорания установлены кольцеобразно вокруг газовой турбины. Одна или более камер сгорания снабжена воспламенительным устройством, в то время как в других камерах сгорания воспламенительные устройства отсутствуют. Воспламенение в камере сгорания, не имеющей воспламенительного устройства, осуществляется через патрубок, называемый пламяпередающим патрубком, который соединяет соседние камеры сгорания между собой. При запуске газовой турбины воспламенение осуществляется вначале в камере сгорания, имеющей воспламенительное устройство, а в соседних камерах сгорания воспламенение осуществляется через пламяпередающие патрубки, так что обеспечивается воспламенение во всех камерах сгорания.
Как правило, пламяпередающий патрубок имеет конструкцию двойного патрубка, включающего в себя внутренний патрубок и внешний патрубок. Внутренний патрубок соединяет секции камеры сгорания соседних камер сгорания между собой. По внутреннему патрубку проходят высокотемпературные отработавшие газы сгорания, обеспечивающие, таким образом, распространение пламени. Внешний патрубок, располагающийся со стороны внешней окружной поверхности внутреннего патрубка, соединяет между собой каналы для воздуха для горения соседних камер сгорания и выполняет функцию защиты внутреннего патрубка.
Пламяпередающий патрубок представляет собой элемент конструкции, необходимый для выполнения описанной выше операции воспламенения и требуемый для обеспечения надежного воспламенения. Так как пламяпередающий патрубок подвергается воздействию высокотемпературных отработавших газов сгорания, то требуется принятие соответствующих мер по предотвращению тепловой деформации и прогорания этого патрубка. Кроме того, требуется также обратить внимание на способ позиционирования камер сгорания при их взаимном соединении, способ предотвращения возможной деформации и т.п.
Предпосылками создания изобретения в данной области техники являются, например, технические решения, раскрытые в патентных документах 1-3. Патентный документ 1 раскрывает техническое решение, обеспечивающее охлаждение пламяпередающего патрубка и предотвращение его прогорания. Патентный документ 2 раскрывает способ позиционирования камер сгорания при их взаимном соединении, а также техническое решение, обеспечивающее охлаждение пламяпередающего патрубка и предотвращение его прогорания. Патентный документ 3 раскрывает техническое решение, обеспечивающее распределение охлаждающего воздуха, проходящего через множество охлаждающих отверстий, выполненных в детали камеры сгорания, представляющей собой разделительную стенку, образующую секцию камеры сгорания, и совмещенных с распределителями потока, с помощью этих распределителей потока.
Документы предшествующего уровня техники
Патентные документы
Патентный документ 1 - JP-А-10-339440.
Патентный документ 2 - JP-A-11-14056.
Патентный документ 3 - JP-A-2010-106829.
Раскрытие изобретения
Задачи настоящего изобретения
В пламяпередающем патрубке используется перепад давлений, возникающий между камерой сгорания, в которой сгорание уже завершено, и соседней камерой сгорания, в которой воспламенения еще не произошло, что, таким образом, вызывает прохождение отработавших газов сгорания в эту камеру сгорания, в которой воспламенения еще не произошло и в которой должно произойти воспламенение. В случае завершения воспламенения во всех камерах сгорания и выравнивания количества воздуха, количества топлива и давления между различными камерами сгорания перепад давлений между различными камерами сгорания исчезает, и прохождение отработавших газов сгорания через пламяпередающие патрубки прекращается. В этом случае прохождение высокотемпературных отработавших газов сгорания через пламяпередающие патрубки продолжается только в течение короткого промежутка времени во время воспламенения.
Однако на практике при переходе от одной камеры сгорания к другой количество воздуха количество топлива, давление и состояние горения изменяются. Поэтому в некоторых случаях между соседними камерами сгорания возникает перепад давлений и продолжается прохождение высокотемпературных отработавших газов сгорания через пламяпередающий патрубок. При этом внутренняя стенка пламяпередающего патрубка непрерывно подвергается воздействию высокотемпературных отработавших газов сгорания и вследствие этого нагревается до высоких температур. Поэтому для предотвращения тепловой деформации и прогорания пламяпередающего патрубка требуется охлаждение пламяпередающего патрубка.
Одним из способов охлаждения пламяпередающего патрубка является способ направления части воздуха для горения, имеющего температуру ниже температуры высокотемпературных отработавших газов сгорания, внутрь пламяпередающего патрубка через отверстия (через отверстия для воздуха), сформированные в пламяпередающем патрубке, для охлаждения этого пламяпередающего патрубка. Прохождение воздуха для горения, находящегося внутри внешнего патрубка, во внутренний патрубок через отверстия для воздуха, сформированные в стенке внутреннего патрубка, обеспечивает охлаждение поверхности стенки внутреннего патрубка.
В этом случае, если в положении напротив осевого направления отверстий для воздуха во внутреннем патрубке установить направляющее кольцо, концентрическое с внутренним патрубком, с закрытой одной торцевой поверхностью и открытой внутрь внутреннего патрубка другой торцевой поверхностью, то воздух, входящий из отверстий для воздуха, будет проходить от открытой торцевой поверхности направляющего кольца вдоль внутренней окружной поверхности стенки внутреннего патрубка. Прохождение охлаждающего воздуха с низкой температурой вдоль поверхности стенки внутреннего патрубка позволяет предотвратить воздействие высокотемпературного отработавшего газа сгорания на поверхность стенки внутреннего патрубка и, таким образом, предотвратить тепловую деформацию и прогорание пламяпередающего патрубка.
Однако в рассмотренной выше конструкции со своей внутренней окружной стороны направляющее кольцо подвергается воздействию потока высокотемпературных отработавших газов сгорания. Поэтому, несмотря на охлаждение направляющего кольца в результате так называемого эффекта соударения, возникающего при ударе потока воздуха, выходящего из отверстий для воздуха, в направляющее кольцо с его внешней окружной стороны, зона охлаждения этого кольца ограничивается областью вокруг отверстий для воздуха. В частности, затруднение прохождения воздуха со стороны закрытого торца с закрытым торцевым участком в кольцевом пространстве между внутренним патрубком и направляющим кольцом приводит к повышению температуры направляющего кольца и возможности тепловой деформации и прогорания.
Для снижения температуры направляющего кольца существует способ увеличения количества охлаждающего воздуха за счет увеличения площади поперечного сечения отверстий для воздуха и способ сужения зоны воздействия потока высокотемпературного отработавшего газа сгорания за счет укорачивания направляющего кольца. Однако при использовании способа увеличения количества охлаждающего воздуха существует вероятность снижения температуры отработавшего газа сгорания, проходящего через пламяпередающий патрубок, при воспламенении в камере сгорания газовой турбины и затруднения распространения пламени. А при использовании способа укорачивания направляющего кольца происходит ослабление эффекта направления потока воздуха направляющим кольцом и сужение зоны охлаждения внутреннего патрубка. Кроме того, существует проблема, обусловленная возникновением ограничения положения формирования отверстий для воздуха и повышением стоимости механической обработки.
Настоящее изобретение было разработано с учетом вышеуказанных проблем, и задачей настоящего изобретения является создание газовой турбины многосекционного типа с множеством камер сгорания, обеспечивающей охлаждение пламяпередающего патрубка без снижения температуры отработавшего газа сгорания, проходящего через пламяпередающий патрубок при воспламенении, а также предотвращение тепловой деформации и прогорания пламяпередающего патрубка.
Средство решения поставленной задачи
Поставленная задача решается за счет того, что газовая турбина в соответствии с настоящим изобретением представляет собой газовую турбину многосекционного типа с множеством камер сгорания, в которой соседние камеры сгорания соединены между собой пламяпередающим патрубком, а воспламенение в каждой из камер осуществляется в результате передачи пламени. Кроме того, пламяпередающий патрубок имеет конструкцию двойного патрубка, включающего в себя внутренний патрубок, который соединяет секции камеры сгорания соседних камер сгорания между собой, и внешний патрубок, который охватывает внутренний патрубок и соединяет между собой каналы для воздуха для горения соседних камер сгорания. Кроме того, во внутреннем патрубке имеются отверстия (отверстия для воздуха), предназначенные для ввода воздуха во внутренний патрубок, и в положении напротив осевого направления отверстий для воздуха установлено направляющее кольцо, концентрическое с внутренним патрубком, с закрытой одной торцевой поверхностью и открытой внутрь внутреннего патрубка другой торцевой поверхностью.
Часть отверстий для воздуха в газовой турбине, включающей в себя пламяпередающий патрубок рассмотренной выше конструкции, просверлена с наклоном в сторону закрытого торца.
Кроме того, помимо изменения направления просверливания отверстий для воздуха в положении напротив отверстий для воздуха со стороны внешней окружной поверхности направляющего кольца может быть установлен барьер, обеспечивающий торможение прохождения воздуха, подаваемого из отверстий для воздуха, в сторону открытой торцевой поверхности и направление в сторону закрытой торцевой поверхности.
При этом в газовой турбине, включающей в себя пламяпередающий патрубок рассмотренной выше конструкции, между разделительной стенкой внутреннего патрубка и направляющим кольцом может быть сформировано кольцевое пространство, которое со стороны закрытого торца может быть расширено за счет того, что расстояние между отверстиями для воздуха и закрытым торцом в три или более раз превышает диаметр отверстий для воздуха.
Преимущества изобретения
Настоящее изобретение обеспечивает возможность охлаждения пламяпередающего патрубка небольшим количеством охлаждающего воздуха, проходящего во внутренний патрубок пламяпередающего патрубка. Поэтому появляется возможность предотвращения снижения температуры высокотемпературного отработавшего газа сгорания, проходящего через пламяпередающий патрубок, при воспламенении, обусловленного смешиванием с охлаждающим воздухом, и надежной передачи пламени между камерами сгорания, а также возможность предотвращения тепловой деформации и прогорания пламяпередающего патрубка, обеспечиваемая охлаждением пламяпередающего патрубка.
Если в настоящем изобретении в положении напротив осевого направления отверстий для воздуха во внутреннем патрубке установить направляющее кольцо, концентрическое с внутренним патрубком, с закрытой одной торцевой поверхностью и открытой внутрь внутреннего патрубка другой торцевой поверхностью, то воздух, входящий из отверстий для воздуха, будет проходить от открытой торцевой поверхности направляющего кольца вдоль внутренней окружной поверхности стенки внутреннего патрубка. Прохождение охлаждающего воздуха с низкой температурой вдоль поверхности стенки внутреннего патрубка позволяет предотвратить воздействие высокотемпературного отработавшего газа сгорания на поверхность стенки внутреннего патрубка и, таким образом, предотвратить тепловую деформацию и прогорание пламяпередающего патрубка.
При этом за счет просверливания части отверстий для воздуха с наклоном в направлении закрытого торца обеспечивается принудительное прохождение части воздуха в сторону закрытого торца, а за счет возникновения потока воздуха в сторону закрытого торца обеспечивается возможность охлаждения направляющего кольца. Кроме того, изменение направления просверливания отверстий для воздуха от отверстия к отверстию приводит к расширению зоны охлаждения за счет так называемого эффекта соударения, возникающего при ударе потока воздуха, выходящего из отверстий для воздуха, в направляющее кольцо с его внешней окружной стороны, и поэтому облегчает охлаждение направляющего кольца. Несмотря на то, что со своей внутренней окружной стороны направляющее кольцо подвергается воздействию высокотемпературных отходящих газов сгорания, в результате расширения зоны охлаждения за счет эффекта соударения с внешней окружной поверхностью направляющего кольца и возникновения потока воздуха со стороны закрытого торца появляется возможность предотвращения тепловой деформации и прогорания пламяпередающего патрубка, включающего в себя направляющее кольцо, небольшим количеством охлаждающего воздуха.
Тот же самый эффект может быть получен и в случае размещения барьера, направляющего воздух, подаваемый из отверстий для воздуха на закрытую торцевую поверхность, в положении напротив отверстий для воздуха со стороны внешней окружной поверхности направляющего кольца. То есть направление части воздуха в сторону закрытого торца с помощью барьера обеспечивает возможность охлаждения направляющего кольца потоком воздуха, возникающим в сторону закрытого торца. Кроме того, расширение зоны охлаждения за счет так называемого эффекта соударения при ударе потока воздуха, выходящего из отверстий для воздуха, во внешнюю окружную поверхность направляющего кольца, в сторону закрытого торца направляющего кольца обеспечивает возможность предотвращения тепловой деформации и прогорания пламяпередающего патрубка, включающего в себя направляющее кольцо, небольшим количеством воздуха.
При этом увеличение расстояния между отверстиями для воздуха и закрытым торцом в кольцевом пространстве между разделительной стенкой внутреннего патрубка и направляющим кольцом в три или более раз по сравнению с диаметром отверстий для воздуха облегчает изменение направления воздуха, входящего из отверстий для воздуха и проходящего в сторону закрытого торца, на противоположное и выход со стороны открытого торца. Поэтому количество воздуха, проходящего в сторону закрытого торца, увеличивается и появляется возможность беспрепятственного охлаждения направляющего кольца со стороны его закрытого торца.
Более ясное представление о других задачах изобретения, используемых конструкциях и эффектах можно получить из приводимого ниже описания вариантов осуществления изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - схематический вид конструкции камеры сгорания газовой турбины согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 2 - схематический вид конструкции пламяпередающего патрубка в камере сгорания газовой турбины, показанной на фиг. 1.
Фиг. 3А - схематический вид конструкции отверстий для воздуха, предназначенных для охлаждения, в пламяпередающем патрубке, показанном на фиг. 2.
Фиг. 3В - схематический вид части отверстий для воздуха, показанных на фиг. 3А, иллюстрирующий взаимное расположение этих отверстий и направляющего кольца.
Фиг. 4 - схематический вид конструкции отверстий для воздуха, предназначенных для охлаждения пламяпередающего патрубка, известного из уровня техники, для сравнения с пламяпередающим патрубком согласно варианту осуществления настоящего изобретения, показанным на фиг. 3А.
Фиг. 5 - схематический вид конструкции пламяпередающего патрубка согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 6А - схематический вид конструкции отверстий для воздуха, предназначенных для охлаждения, в пламяпередающем патрубке согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 6В - схематический вид конструкции отверстий для воздуха, предназначенных для охлаждения, в пламяпередающем патрубке согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 7 - схематический вид конструкции пламяпередающего патрубка согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения
Ниже приводится описание камеры сгорания газовой турбины согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, сопровождаемое ссылками на прилагаемые чертежи. При этом на всех чертежах одни и те же позиции относятся к одним и тем же элементам конструкции, и повторное описание этих элементов не приводится.
Первый вариант осуществления
Фиг. 1-4 иллюстрируют газовую турбину согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. Фиг. 1 представляет часть газовой турбины согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. Фиг. 2 представляет конструкцию пламяпередающего патрубка, показанного на фиг. 1. Фиг. 3А иллюстрирует участок пламяпередающего патрубка, показанного на фиг. 1 и фиг. 2, поблизости от отверстий для воздуха. Фиг. 3В представляет увеличенный вид участка пламяпередающего патрубка поблизости от отверстий для воздуха, показанный на фиг. 3А. Фиг. 4 представляет схематический вид части пламяпередающего патрубка, известного из уровня техники, для сравнения с пламяпередающим патрубком согласно варианту осуществления настоящего изобретения, показанным на фиг. 3А.
Сначала со ссылками на фиг. 1 и 2 рассмотрим функции и задачи пламяпередающего патрубка. Затем со ссылками на фиг. 3А и 4 рассмотрим отличия между первым вариантом осуществления настоящего изобретения и вариантом, известным из уровня техники.
Как показано на фиг. 1, газовая турбина 1 включает в себя компрессор 2, камеры 3А и 3В сгорания, турбину 4 и генератор 5. Приводной вал 6 соединяет компрессор 2, турбину 4 и генератор 5 между собой. Воздух 7 (воздух для горения), сжатый с помощью компрессора 2, смешивается с топливом 15, сжигается в камерах 3А и 3В сгорания и превращается в высокотемпературный отработавший газ 8 сгорания, имеющий высокое давление и обеспечивающий восстановление энергии в турбине 4 и вырабатывание электрической мощности с помощью генератора 5.
Камеры 3А и 3В сгорания имеют головные части 9А и 9В, размещенные со стороны компрессора 2, и хвостовые части 10А и 10В, размещенные со стороны турбины 4. Камеры 3А и 3B сгорания включают в себя секции 11А и 11В камеры сгорания, разделительные стенки (лейнеры) 12А и 12В, образующие секции 11А и 11В камеры сгорания, каналы 13А и 13В для воздуха для горения и внешние окружные разделительные стенки 14А и 14В, располагающиеся в последовательности от центра наружу. Воздух 7 для горения, выброшенный из компрессора 2, изменяет направление своего прохождения в хвостовых частях 10А и 10В на противоположное и через каналы 13А и 13В для воздуха для горения проходит в головные части 9А и 9В камер сгорания.
В головных частях 9А и 9В камер 3А и 3B сгорания воздух 7 для горения изменяет направление своего прохождения на противоположное, а затем смешивается с топливом 15, подаваемым из внешнего источника, и сжигается в секциях 11А и 11В камеры сгорания. Отработавший газ 8 сгорания проходит из хвостовых частей 10A и 10В камер 3А и 3B сгорания в турбину 4 и выбрасывается наружу.
При этом для упрощения описания фиг. 1 иллюстрирует конструкцию с двумя камерами сгорания, однако то же самое описание может быть использовано и применительно к конструкции с тремя или более камерами сгорания. Кроме того, фиг. 1 иллюстрирует конструкцию, в которой компрессор 2, турбина 4 и генератор 5 соединены между собой с помощью одного приводного вала 6, однако приводной вал 6 может включать в себя множество разделенных приводных валов. Кроме того, приводной вал 6 может быть использован для привода не генератора 5, а другого вращающегося элемента конструкции.
В газовой турбине 1, показанной на фиг. 1, камера 3А сгорания снабжена воспламенительным устройством 17. Пламяпередающий патрубок 20 соединяет камеры 3А и 3B сгорания между собой. Пламяпередающий патрубок 20 имеет конструкцию двойного патрубка, включающего в себя внутренний патрубок 21 и внешний патрубок 22. Внутренний патрубок 21 пламяпередающего патрубка 20 соединен с разделительными стенками (с лейнерами) 12А и 12В секций 11А и 11В камеры сгорания и через него может проходить отработавший газ 16 сгорания внутри секций 11А и 11В камеры сгорания. Внешний патрубок 22 пламяпередающего патрубка 20 соединен с внешними окружными разделительными стенками 14А и 14В каналов 13А и 13В для воздуха для горения и через него может проходить воздух 7 для горения.
При воспламенении в газовой турбине воспламенительное устройство 17, установленное в камере 3А сгорания, обеспечивает воспламенение смеси топлива 15 и воздуха 7 для горения в секции 11А камеры сгорания. Давление внутри секции 11А камеры сгорания вследствие образования отработавшего газа 8 сгорания начинает повышаться, а в секции 11В камеры сгорания вследствие отсутствия воспламенения давление остается низким. Поэтому отработавший газ 16 сгорания начинает проходить через внутренний патрубок 21 пламяпередающего патрубка 20, который соединяет секции 11А и 11В камеры сгорания между собой, из секции 11А камеры сгорания в секцию 11В камеры сгорания. В секции 11В камеры сгорания высокотемпературный отработавший газ 16 сгорания, прошедший через внутренний патрубок 21 пламяпередающего патрубка 20, обеспечивает воспламенение смеси топлива 15 и воздуха 7 для горения. Таким образом, в результате последовательного воспламенения в соседних камерах сгорания через пламяпередающий патрубок 20 может быть обеспечено воспламенение во всех камерах сгорания.
При выравнивании количества воздуха, расхода топлива и давления между различными камерами сгорания и завершения воспламенения во всех камерах сгорания перепад давлений между камерами сгорания исчезает. В этом случае прохождение высокотемпературного отработавшего газа 16 сгорания, проходящего через внутренний патрубок 21 пламяпередающего патрубка 20, прекращается, и высокотемпературный отработавший газ 16 сгорания проходит через внутренний патрубок 21 пламяпередающего патрубка 20 только в течение короткого промежутка времени во время воспламенения. Однако на практике при переходе от одной камеры сгорания к другой количество воздуха, расход топлива и состояние горения могут изменяться. В этом случае из-за перепада давлений между соседними камерами 3А и 3B прохождение высокотемпературного отработавшего газа 16 сгорания через внутренний патрубок 21 пламяпередающего патрубка 20 может продолжаться. Прохождение высокотемпературного отработавшего газа 16 сгорания может приводить к повышению температуры внутреннего патрубка 21 пламяпередающего патрубка 20 и при длительной эксплуатации вызывать деформацию и повреждение этого внутреннего патрубка. Для предотвращения деформации и повреждения внутренний патрубок 21 пламяпередающего патрубка 20 необходимо охлаждать.
На фиг. 2 представлена детальная конструкция пламяпередающего патрубка. Внутренний патрубок 21 пламяпередающего патрубка, показанного на фиг. 2, снабжен ограничителями 31А, 31В для позиционирования, которые в комбинации с фиксаторами 32А и 32В обеспечивают позиционирование этого внутреннего патрубка. Как правило, фиксаторы 32А и 32В являются упругими телами, компенсирующими перемещение внутреннего патрубка 21 пламяпередающего патрубка даже в случае возникновения тепловой деформации и вибрации газовой турбины в процессе эксплуатации и обеспечивающими уменьшение напряжения, возникающего в этом внутреннем патрубке, и фиксацию его положения в камере сгорания.
Внутренний патрубок 21 пламяпередающего патрубка снабжен отверстиями 33 (33A-33D) для воздуха, предназначенными для ввода части воздуха 7 для горения внутрь этого внутреннего патрубка 21. В положении напротив осевого направления отверстий 33 (33A-33D) для воздуха установлены направляющие кольца 34А и 34В.
На фиг. 3А представлена конструкция участка пламяпередающего патрубка поблизости от отверстий 33А и 33С для воздуха. Направляющие кольца 34А и 34В представляют собой цилиндры круглой формы, концентрические с внутренним патрубком 21. Направляющие кольца 34А и 34В образуют кольцевые пространства 35 между направляющими кольцами 34А и 34В и внутренним патрубком 21. С одной своей стороны (со стороны одного торца) направляющее кольцо 34А соединяется с разделительной стенкой, образующей внутренний патрубок 21, и с этой стороны располагается закрытый торец 36. С другой стороны (со стороны другого торца) направляющего кольца 34А располагается открытый торец 37, соединяющийся с пространством 25 внутреннего патрубка 21. Внутренний патрубок 21 снабжен множеством отверстий 33 (33A-33D) для воздуха, располагающихся в окружном направлении. На фиг. 3А показаны два отверстия 33А и 33С для воздуха. Отверстие 33А с верхней стороны просверлено в радиальном направлении внутреннего патрубка 21. Отверстие 33С с нижней стороны просверлено с наклоном в сторону закрытого торца 36. В то же время на фиг. 4, иллюстрирующей конструкцию отверстий, известную из уровня техники, для сравнения с фиг. 3 оба отверстия 43А и 43С для воздуха просверлены в радиальном направлении внутреннего патрубка 21.
В конструкции с иллюстрацией на фиг. 4, известной из уровня техники, потоки 44А и 44С воздуха, проходящего во внутренний патрубок 21 из отверстий 43 (43А и 43С) для воздуха, сначала соударяются с внешней окружной поверхностью направляющего кольца 34А, располагающейся напротив этих отверстий для воздуха, а затем отклоняются в сторону открытого конец 37 и проходят во внутренний патрубок 21. Формирование слоя потоков 44А и 44С воздуха между потоком высокотемпературного газа (отработавшего газа 16 сгорания) во внутреннем патрубке 21 и внутренним патрубком 21 пламяпередающего патрубка обеспечивает подавление теплопередачи от потока высокотемпературного газа (отработавшего газа 16 сгорания) во внутренний патрубок 21 пламяпередающего патрубка и подавляет повышение температуры внутреннего патрубка 21. При этом потоки 44А и 44С воздуха образуют вдоль внутренней стенки внутреннего патрубка 21 пленку, и поэтому такая система охлаждения называется пленочным охлаждением.
Внешняя поверхность направляющего кольца 34А охлаждается с помощью потока воздуха. В то же время внутренняя окружная поверхность направляющего кольца 34А нагревается потоком высокотемпературного газа (потоком отработавшего газа 16 сгорания). Поэтому возникает необходимость в обеспечении охлаждения со стороны внешней поверхности, как во внутреннем патрубке 21. В случае охлаждения с помощью потоков 44А и 44С воздуха внешняя окружная поверхность направляющего кольца 34А, располагающаяся напротив отверстий для воздуха 43А и 43С, подвергается так называемому ударному охлаждению, обеспечивающему высокую эффективность охлаждения в результате удара потока воздуха.
Однако эффективным охлаждение с помощью потоков 44А и 44С воздуха из отверстий 43А и 43С для воздуха является только со стороны открытого торца 37. Охлаждение закрытого торца 36 вследствие удаления от потоков 44А и 44С воздуха осуществляется менее эффективно, что приводит к повышению температуры направляющего кольца 34А. То есть затруднение прохождения потоков 44А и 44С воздуха в конструкции с иллюстрацией на фиг. 4, известной из уровня техники, в сторону закрытого торца 36 может вызывать повышение температуры направляющего кольца 34А со стороны закрытого торца 36.
Поэтому целесообразным представляется сужение пространства со стороны закрытого торца 36 кольцевого пространства 35. Однако необходимость фиксации направляющих колец 34 (34А и 34В) и регулирования положений направляющих колец 34 и отверстий 43 (43A-43D) для воздуха обусловливает формирование в кольцевом пространстве 35 пространства со стороны закрытого торца 36. Кроме того, сужение этого пространства требует повышения точности механической обработки для фиксации направляющих колец 34 и регулирования положений направляющих колец 34 и отверстий 43 (43A-43D) для воздуха и обусловливает повышение стоимости. Поэтому длина кольцевого пространства 35 со стороны закрытого торца 36, как правило, в 2-3 раза превышает диаметр отверстий 43 для воздуха, и это может приводить к повышению температуры направляющего кольца 34А со стороны закрытого торца 36.
В то же время в первом варианте осуществления настоящего изобретения с иллюстрацией на фиг. 3А, как показано на фиг. 3А, из отверстий 33 для воздуха отверстие 33А с верхней стороны просверлено в радиальном направлении внутреннего патрубка 21, а отверстие 33С с нижней стороне просверлено с наклоном в сторону закрытого торца 36. При этом направление просверливания отверстий 33 для воздуха меняется от отверстия к отверстию. Например, отверстия 33А и 33С чередуются в окружном направлении внутреннего патрубка 21.
Воздух, проходящий из отверстия 33С для воздуха, просверленного с наклоном относительно внутреннего патрубка 21, имеет составляющую скорости потока, направленную в сторону закрытого торца 36, обусловленную формой этого отверстия для воздуха. Поэтому сначала воздух проходит в сторону закрытого торца 36, совершает круговое движение по кольцевому пространству 35 с приближением к закрытому торцу 36, а затем выходит из открытого торца 37 в пространство 25 во внутреннем патрубке. При этом зона так называемого ударного охлаждения, обеспечивающего высокую эффективность охлаждения в результате удара потока воздуха, расширяется от отверстия 33С для воздуха в сторону закрытого торца 36. В этом варианте осуществления в результате изменения направления просверливания отверстий для воздуха зона ударного охлаждения формируется в широком диапазоне в осевом направлении внутреннего патрубка 21 вокруг отверстий 33 для воздуха. При этом прохождение потока 24С воздуха в сторону закрытого торца 36 обеспечивает расширение зоны охлаждения с помощью потока 24С воздуха, входящего из отверстий для воздуха, до кольцевого пространства 35.
Расширение зоны охлаждения внешней поверхности направляющего кольца 34А обеспечивает возможность охлаждения пламяпередающего патрубка, включающего в себя направляющее кольцо 34А, и повышение надежности. Возможность охлаждения пламяпередающего патрубка меньшим количеством охлаждающего воздуха позволяет уменьшить количество охлаждающего воздуха, обеспечить охлаждение пламяпередающего патрубка без снижения температуры отработавшего газа сгорания, проходящего через пламяпередающий патрубок при воспламенении, а также предотвратить тепловую деформацию и прогорание пламяпередающего патрубка. Кроме того, расширение допуска на фиксацию направляющего кольца 34А и регулирование положений направляющего кольца 34А и отверстий 33 для воздуха (33A-33D) до пространства со стороны закрытого торца 36 кольцевого пространства 35 обеспечивает возможность ограничения точности механической обработки и ее стоимости.
В варианте осуществления с иллюстрацией на фиг. 3А отверстия 33А и 33С для воздуха с разными углами просверливания выполнены с взаимным чередованием. Однако углы и направления отверстий можно регулировать в соответствии с необходимостью. Например, по отношению к отверстию 33А для воздуха направление просверливания отверстия 33С для воздуха может меняться в соотношении 2:1. Важным является формирование потока, совершающего круговое движение поблизости от закрытого торца 36. Рассмотренный выше эффект может быть получен в случае просверливания отверстия 33С для воздуха в сторону закрытого торца 36.
В первом варианте осуществления настоящего изобретения с иллюстрацией на фиг. 3А, как показано на фиг. 3B, длина L пространства между закрытым торцом 36 и отверстием 33С для воздуха в три или более раз превышает диаметр d отверстия 33С для воздуха (L≥3d). Расширение участка между отверстиями для воздуха и закрытым торцом в кольцевом пространстве между разделительной стенкой внутреннего патрубка и направляющим кольцом облегчает изменение направления воздуха, входящего из отверстий для воздуха и проходящего в сторону закрытого торца, на противоположное и выход со стороны открытого торца. Поэтому количество воздуха, проходящего в сторону закрытого торца, увеличивается и появляется возможность беспрепятственного охлаждения направляющего кольца со стороны его закрытого торца.
На фиг. 5 представлена модификация пламяпередающего патрубка, показанного на фиг. 2. В этом варианте осуществления с иллюстрацией на фиг. 1-3B предусмотрен один внутренний патрубок 21, участки которого поблизости от обоих торцов закреплены на внешнем патрубке 22 камеры сгорания. Однако, как показано на фиг. 5, внутренний патрубок может быть разделен на внутренние патрубки 21А и 21В, а участок 48 разделения может иметь форму фитингового соединения. Фитинговое соединение внутренних патрубков 21А и 21В позволяет увеличить число степеней свободы в отношении тепловой деформации в осевом направлении внутренних патрубков и изменения расстояния между внутренними патрубками и внешним патрубком 22. Поэтому появляется возможность уменьшения напряжения, действующего на внутренние патрубки, а также возможность уменьшения длины внутренних патрубков, что облегчает сборку.
Как было указано выше, согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения комбинирование внутренних патрубков с меняющимися направлениями просверливания отверстий 33 для воздуха позволяет обеспечить охлаждение и предотвратить тепловую деформацию и прогорание пламяпередающего патрубка, а также облегчает сборку этого пламяпередающего патрубка и приводит к снижению расходов на его изготовление.
Второй вариант осуществления
Рассмотрим газовую турбину согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения со ссылками на фиг. 6А. При этом от газовой турбины согласно первому варианту осуществления, рассмотренной выше, газовая турбина согласно второму варианту осуществления отличается наличием барьера (выступающей детали) 51, установленной в потоке воздуха, проходящего в кольцевом пространстве 35, на участке внешней поверхности направляющего кольца 34А пламяпередающего патрубка 20. Поэтому фиг. 6А служит в основном иллюстрацией функции этого барьера 51. Другие элементы конструкции являются такими же, как и в первом варианте осуществления, и поэтому повторное объяснение этих элементов не приводится.
Второй вариант осуществления настоящего изобретения отличается тем, что барьер 51 установлен в отверстии 33С для воздуха со стороны открытого торца 37. При этом, как показано на фиг. 6А, барьер 51 установлен поблизости от отверстия 33С для воздуха, которое является частью отверстий для воздуха, но не установлен, например, в отверстии 33А для воздуха.
В отверстии для воздуха 33С, поблизости от которого установлен барьер 51, прохождение потока 54С воздуха, входящего в кольцевое пространство 35, в сторону открытого торца 37 предотвращается барьером 51. Поэтому сначала поток 54С воздуха проходит в сторону закрытого торца 36 и совершает круговое движение по кольцевому пространству 35 с приближением к закрытому торцу 36, а затем выходит из открытого торца 37 в пространство 25 во внутреннем патрубке. При этом зона так называемого ударного охлаждения, обеспечивающего высокую эффективность охлаждения в результате удара потока воздуха, расширяется от отверстия 33С для воздуха в сторону закрытого торца 36. В то же время в отверстии 33А для воздуха, поблизости от которого барьер 51 не установлен, поток 54А воздуха, входящего кольцевое пространство 35, выходит из открытого торца 37 в пространство 25 во внутреннем патрубке.
Как показано на фиг. 6 с помощью потоков 54А и 54С воздуха, в результате размещения барьера 51 в отверстии 33С для воздуха со стороны открытого торца 37 как части отверстий для воздуха формируется два пути потоков воздуха. Зона ударного охлаждения формируется в широком диапазоне в осевом направлении внутреннего патрубка 21 вокруг отверстий 33 для воздуха. При этом прохождение потока 24С воздуха в сторону закрытого торца 36 обеспечивает расширение зоны охлаждения с помощью потока 24С воздуха, входящего из отверстий для воздуха, до кольцевого пространства 35.
Расширение зоны охлаждения внешней поверхности направляющего кольца 34А обеспечивает возможность охлаждения пламяпередающего патрубка, включающего в себя направляющее кольцо 34А, и повышение надежности. Возможность охлаждения пламяпередающего патрубка меньшим количеством охлаждающего воздуха позволяет уменьшить количество охлаждающего воздуха, обеспечить охлаждение пламяпередающего патрубка без снижения температуры отработавшего газа сгорания, проходящего через пламяпередающий патрубок при воспламенении, а также предотвратить тепловую деформацию и прогорание пламяпередающего патрубка. Кроме того, расширение допуска на фиксацию направляющего кольца 34А и регулирование положений направляющего кольца 34А и отверстий 33 для воздуха (33A-33D) до пространства со стороны закрытого торца 36 кольцевого пространства 35 обеспечивает возможность ограничения точности механической обработки и ее стоимости.
Конструкция согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения, как показано на фиг. 5, может быть использована и применительно к пламяпередающему патрубку с разделением внутреннего патрубка. Как показано при рассмотрении второго варианта осуществления настоящего изобретения, комбинирование внутренних патрубков с меняющимися направлениями просверливания отверстий 33 для воздуха позволяет обеспечить охлаждение и предотвратить тепловую деформацию и прогорание пламяпередающего патрубка, а также облегчает сборку этого пламяпередающего патрубка и приводит к снижению расходов на его изготовление.
Пример результатов оценки температуры направляющего кольца 34 А в пламяпередающем патрубке (фиг. 6А) согласно второму варианту осуществления и в пламяпередающем патрубке (фиг. 4), известном из уровня техники, представлен в таблице 1. При оценке из впускного отверстия внутреннего патрубка 21 подавался воздух с атмосферным давлением, имеющий температуру 260°С и скорость потока 20 м/с, со стороны внешнего патрубка подавался воздух, имеющий температуру 10°С, а из отверстий для воздуха подавался охлаждающий воздух. Температура направляющего кольца 34А измерялась на двух участках закрытого торца 36 и открытого торца 37 и выбиралась более высокая температура. Длина кольцевого пространства 35 со стороны закрытого торца 36 составляла 29% от внутреннего диаметра внутреннего патрубка 21, а со стороны открытого торца - 59% от внутреннего диаметра внутреннего патрубка 21. При этом в конструкции согласно второму варианту осуществления барьер 51 был установлен на внешней поверхности направляющего кольца 34А со стороны его открытого торца 37 в одной трети из отверстий 33 для воздуха.
В таблице 1 в примере (фиг. 4), известном из уровня техники, температура на торцевом участке со стороны закрытого торца 36 приблизительно на 20°С выше, чем температура со стороны открытого торца 37. В то же время в конструкции согласно второму варианту осуществления (фиг. 6А) температура со стороны закрытого торца 36 имеет более низкое значение, равное или более низкое, чем температура со стороны открытого торца 37. Причиной повышения температуры со стороны закрытого торца 36 по сравнению с температурой открытого торца 37 в примере (фиг. 4), известном из уровня техники, автор изобретения считает затруднение прохождения воздуха в кольцевое пространство 35 со стороны закрытого торца 36 и затруднение охлаждения этого торца. В то же время причиной снижения температуры в конструкции согласно второму варианту осуществления (фиг. 6А) автор изобретения считает наличие барьера 51 на внешней поверхности направляющего кольца 34А, прохождение воздуха в сторону закрытого торца 36 и охлаждение этого торца.
При этом испытании температура высокотемпературного газа, входящего во внутренний патрубок 21 была низкой и составила 260°С. Однако в реальной камере сгорания газовой турбины температура высокотемпературного газа достигает приблизительно 1200°С или выше. Поэтому можно ожидать, что перепад температур будет составлять 100°С или более, и температура со стороны закрытого торца 36 в примере (фиг. 4), известном из уровня техники, будет достигать 600°С или более, то есть температуры возможного прогорания.
На фиг. 6В представлена модификация конструкции, показанной на фиг. 6А, которая является вариантом осуществления, объединяющего в себе просверливание обоих отверстий 33С с наклоном в сторону закрытого торца 36 согласно первому варианту осуществления (фиг. 3А) и размещение барьера 51 согласно второму варианту осуществления (фиг. 6А). В зависимости от условий эксплуатации, таких как размер камеры сгорания газовой турбины и скорость потока воздуха для горения, можно ожидать дополнительного усиления охлаждающего эффекта в кольцевом пространстве 35 за счет взаимного комбинирования отверстия 33С для воздуха, просверленного с наклоном, как показано на фиг. 6В, и барьера 51 между отверстием 33С для воздуха и открытым торцом 37.
Третий вариант осуществления
На фиг. 7 представлен пример газовой турбины согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения. Газовая турбина, показанная на фиг. 7, снабжена дроссельным элементом (выступающим элементом) 60, установленным в пространстве между внутренним патрубком 21 и внешним патрубком 22. Дроссельный элемент 60 сужает пространство между внутренним патрубком 21 и внешним патрубком 22 и создает сопротивление потоку воздуха 7 для горения, что затрудняет прохождение воздуха 7 для горения между каналами 13А и 13В для воздуха для горения.
На фиг. 7, как в первом варианте осуществления, отверстия 33С и 33D для воздуха выполнены с наклоном в сторону закрытого торца 36. Поэтому, как показано выше, расширение зоны охлаждения внешней поверхности направляющих колец 34А и 34В обеспечивает возможность охлаждения пламяпередающего патрубка, включающего в себя направляющие кольца 34А и 34В, и повышение надежности. Возможность охлаждения пламяпередающего патрубка меньшим количеством охлаждающего воздуха позволяет уменьшить количество охлаждающего воздуха, обеспечить охлаждение пламяпередающего патрубка без снижения температуры отработавшего газа сгорания, проходящего через пламяпередающий патрубок при воспламенении, а также предотвратить тепловую деформацию и прогорание пламяпередающего патрубка. Кроме того, расширение допуска на фиксацию направляющих колец 34А и 34В и регулирование положений направляющих колец 34А и 34В и отверстий 33 для воздуха (33A-33D) до пространства со стороны закрытого торца 36 кольцевого пространства 35 обеспечивает возможность ограничения точности механической обработки и ее стоимости.
Кроме того, размещение в газовой турбине, показанной на фиг. 7, дроссельного элемента 60 в пространстве между внутренним патрубком 21 и внешним патрубком 22, создает препятствие потоку воздуха для горения 7 между каналами 13А и 13В для воздуха для горения. В то же время воздух для горения 7 входит в пространство во внешнем патрубке 22. Поэтому во внешнем патрубке 22 воздух для горения образует потоки, указанные стрелками 61А и 61В. За счет дроссельного элемента 60 потоки воздуха вдоль поверхности внутреннего патрубка 21 изменяют направление своего прохождения на противоположное и совершают круговое движение. Круговое движение воздуха в пространстве во внешнем патрубке 22 облегчает конвективный теплообмен и обеспечивает охлаждение внутреннего патрубка 21. При этом дроссельный элемент 60 может быть использован и применительно к газовым турбинам согласно как первому варианту осуществления, так и второму варианту осуществления. В этом случае может быть получен тот же самый эффект, что и в третьем варианте осуществления (фиг. 7).
При этом настоящее изобретение не ограничивается описанными выше вариантами осуществления и может включать в себя различные модификации. Например, вся конструкция полностью приведенных выше вариантов осуществления, подробное описание которых приведено с целью лучшего понимания настоящего изобретения, не обязательно является необходимой для реализации настоящего изобретения. Часть конструкции одного варианте осуществления может быть заменена конструкцией другого варианта осуществления, или конструкция одного варианта осуществления может быть объединена с конструкцией другого варианта осуществления. Конструкция каждого варианта осуществления может дополнительно включать в себя другую конструкцию, или часть конструкции может быть удалена или заменена другой конструкцией.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1 - газовая турбина;
2 - компрессор;
3А, 3B - камера сгорания;
4 - турбина;
5 - генератор мощности;
6 - приводной вал;
7 - воздух для горения;
8, 16 - отработавший газ сгорания;
9А, 9В - головная часть камеры сгорания;
10А, 10В - хвостовая часть камеры сгорания;
11 А, 11В - секция камеры сгорания;
12А, 12В - разделительная стенка (вкладыш);
13А, 13В - канал для воздуха для горения;
14А, 14В - внешняя окружная разделительная стенка;
15 - топливо;
17 - воспламенительное устройство;
20 - пламяпередающий патрубок;
21, 21А, 21В - внутренний патрубок;
22 - внешний патрубок;
23 - разделительная стенка внутреннего патрубка;
24, 24А, 24В, 24С, 24D - поток воздуха;
25 - пространство внутри внутреннего патрубка;
26 - пространство между внутренним патрубком и внешним патрубком;
27 - центральная ось пламяпередающего патрубка;
31А, 31В - ограничитель;
32А, 32В - фиксатор;
33, 33А, 33В, 33С и 33В - отверстие для воздуха;
34, 34А, 34В - направляющее кольцо;
35 - кольцевое пространство;
36 - закрытый торец;
37 - открытый торец;
43, 43А, 43В, 43С, 43D - отверстие для воздуха;
44, 44А, 44В, 44С, 44D - поток воздуха;
48 - участок разделения;
51 - барьер (выступающая деталь);
60 - дроссельный элемент (выступающая деталь);
61, 61А, 61В - поток воздуха.
Реферат
В изобретении предложена камера сгорания газовой турбины и, в частности, камера сгорания, включающая в себя множество камер сгорания, предназначенных для смешивания и сжигания топлива и воздуха и соединенных между собой пламяпередающим патрубком. Изобретение обеспечивает охлаждение пламяпередающего патрубка без снижения температуры отработавшего газа сгорания, проходящего через пламяпередающий патрубок, а также позволяет предотвратить тепловую деформацию и прогорание пламяпередающего патрубка. Газовая турбина в соответствии с настоящим изобретением снабжена направляющим кольцом для направления потока воздуха, установленным в положении напротив отверстий для воздуха. Один торцевой участок кольцевого пространства, образуемого между направляющим кольцом и пламяпередающим патрубком, является открытым в пространство внутри пламяпередающего патрубка, а другой торцевой участок является закрытым торцом, который соединяется с разделительной стенкой пламяпередающего патрубка. Длина кольцевого пространства между отверстиями для воздуха и закрытым торцом в три или более раз превышает диаметр отверстий для воздуха. Кроме того, часть отверстий для воздуха просверлена с наклоном в направлении закрытого торца этого кольцевого пространства, что обеспечивает охлаждение пламяпередающего патрубка, включающего в себя направляющее кольцо, небольшим количеством охлаждающего воздуха. Также представлен вариант камеры сгорания газовой турбины, характеризующийся тем, что между отверстиями для воздуха и открытым торцом установлена выступающая деталь, обеспечивающая торможение потока воздуха. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.
