Устройство для присоединения сопла камеры предварительного смешивания газовой турбины к корпусу камеры предварительного смешивания - RU2224180C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к устройству для присоединения сопла камеры предварительного смешивания газовой турбины к корпусу камеры предварительного смешивания.

Известно, что газовые турбины содержат компрессор, в который подается воздух из внешней среды с целью создания избыточного давления в компрессоре. Сжатый воздух поступает в ряд камер предварительного смешивания, которые заканчиваются соплом и в каждую из которых инжектор подает топливо, которое смешано с воздухом с целью образования воздушно-топливной смеси, подлежащей сжиганию. Когда смесь проходит через сопло, она поступает в камеру сгорания, где она сжигается и образует газы с высоким уровнем теплосодержания, которые расширяются в турбине. Турбина обеспечивает преобразование энтальпии газов в механическую энергию, которая доступна пользователю.

Настоящее изобретение, в частности, относится к соплам, в которые поступает смесь, образующаяся в предкамере внутри камеры сгорания, и к устройству для присоединения сопел к корпусу камеры предварительного смешивания. Эти сопла состоят из, как правило, суживающихся элементов и широко известны как кожухи.

Чтобы прояснить технические проблемы, которые рассматриваются и решаются посредством настоящего изобретения, ниже приводится краткое описание одного устройства 10 для предварительного смешивания со ссылкой на фиг.1.

Устройство 10 для предварительного смешивания содержит камеру 11 предварительного смешивания, которая образована корпусом 12, выполненным за одно целое с опорой 13 в виде стойки. Опора 13 в виде стойки заканчивается плитой 14, в которой выполнены сквозные отверстия 15, предназначенные для обеспечения крепления к непоказанному корпусу двигателя, и пара сквозных отверстий 16, которые образуют концы каналов 17, 18, предназначенных для подвода топлива.

Один канал 17 открывается в кольцевую камеру 19, из которой через сквозные отверстия 20 часть топлива подается к устройству для перемешивания воздуха, как правило, выполненному в виде центробежной форсунки 21. В центробежной форсунке 21 и в камере 11 предварительного смешивания образуется смесь, состоящая из воздуха с высоким уровнем турбулентности, поступающего из компрессора, и части топлива, поданного через центробежную форсунку 21.

Центробежная форсунка 21, как правило, состоит из двух отдельных концентрических элементов с лопастями, при этом наружный элемент 21а выполнен с лопастями, которые сориентированы в одном направлении, в то время как внутренний элемент 21b, который надет на фасонный оживальный (стрельчатый) элемент в виде инжектора 22, выполнен с лопастями, которые сориентированы в противоположном направлении.

Различная ориентация лопастей двух элементов 21а и 21b центробежной форсунки 21 обеспечивает возможность получения в камере 11 предварительного смешивания, за самой центробежной форсункой 21 по ходу течения высокого уровня турбулентности, который создает идеальные условия для получения воздушно-топливной смеси с высоким уровнем диспергирования и тем самым для удовлетворительного сжигания. Рационально то, что, как показано на фиг.1, сквозные отверстия 20 обеспечивают подвод топлива в наружный элемент 21а центробежной форсунки 21.

Опора 13 в виде стойки имеет второй канал 18, обеспечивающий подвод к ряду каналов, которые в традиционных вариантах осуществления (не показанных на фиг. 1) открываются внутрь сопла 23. Более точно, эти каналы открываются вблизи горловины сопла 23, которая обращена к камере сгорания турбины.

Наиболее близкой к заявленному изобретению является камера предварительного смешивания газовой турбины, описанная в патенте США 5671597.

Камеры предварительного смешивания и, в частности, сопла, которыми заканчиваются эти камеры и с помощью которых они соединены с камерой сгорания, представляют собой элементы турбин, которые подвергаются термическим напряжениям.

Поскольку пламя в камере сгорания удерживается в зоне вблизи сопла, оно вызывает передачу больших тепловых нагрузок всем элементам устройства для предварительного смешивания и в особенности соплу, которое представляет собой элемент, ближайший к зоне пламени.

Вышеизложенное делает очевидным то обстоятельство, что, поскольку сопло представляет собой элемент, который находится под наибольшими механическими и термическими напряжениями, оно также представляет собой элемент, который в наибольшей степени будет подвергаться износу и повреждениям.

По этой причине сопла, как правило, изготавливают состоящими из элементов, которые представляют собой элементы, выполненные отдельно от корпуса камеры предварительного смешивания и соединенные с ним с возможностью съема или отсоединения, так что может быть обеспечено их техническое обслуживание и замена при необходимости.

В традиционных вариантах осуществления сопло присоединено непосредственно к корпусу камеры предварительного смешивания. Это означает, что отсоединение и отделение сопла от корпуса представляют собой довольно продолжительную и сложную операцию. Кроме того, для того, чтобы обеспечить возможность образования герметичных соединений между соплом и корпусом, необходимо точное выполнение операций, которые занимают довольно много времени, являются сложными и дорогостоящими.

Задача настоящего изобретения состоит в устранении вышеописанных технических недостатков путем разработки устройства для присоединения сопла камеры предварительного смешивания газовой турбины к корпусу камеры предварительного смешивания, которое обеспечивает возможность выполнения быстрых простых операций соединения сопла с корпусом камеры предварительного смешивания.

Другая задача изобретения состоит в разработке устройства для присоединения сопла камеры предварительного смешивания газовой турбины к корпусу камеры предварительного смешивания, которое обеспечивает возможность отсоединения сопла от корпуса камеры предварительного смешивания по существу быстрым простым образом.

Дополнительная задача изобретения заключается в разработке устройства для присоединения сопла камеры предварительного смешивания газовой турбины к корпусу камеры предварительного смешивания, которое обеспечивает возможность технического обслуживания и возможной замены сопла устройства для смешивания по существу быстрым простым образом.

Дополнительная задача изобретения заключается в разработке устройства для присоединения сопла камеры предварительного смешивания газовой турбины к корпусу камеры предварительного смешивания, которое является по существу простым, безопасным и надежным.

Эти и другие задачи настоящего изобретения решаются путем разработки устройства, предназначенного для присоединения сопла камеры предварительного смешивания газовой турбины к корпусу камеры предварительного смешивания, которое согласно изобретению содержит, по меньшей мере, один фланец, который охватывает и удерживает указанное сопло в корпусе, при этом фланец присоединен с возможностью отсоединения к корпусу камеры предварительного смешивания с тем, чтобы сделать сопло образующим одно целое с корпусом камеры предварительного смешивания. Фланец образован с помощью элемента в виде втулки, имеющей отверстие для вставления указанного сопла, причем концы втулки присоединены без возможности отсоединения с одной стороны к соплу и с возможностью отсоединения с другой стороны к указанному корпусу. Сопло имеет выступающую часть, причем втулка имеет первый конец, который выполнен с краем, выступающим внутрь с тем, чтобы образовать буртик, в который упирается выступающая часть сопла, и втулка имеет второй конец, имеющий удлинение в виде пластины, которое выступает наружу и выполнено со сквозными отверстиями, причем указанная втулка упирается в переднюю часть корпуса, при этом сквозные отверстия совпадают с отверстиями в указанном корпусе, и резьбовые фиксирующие элементы вставлены в сквозные отверстия во втулке и в отверстия в корпусе так, чтобы образовать съемное или выполненное с возможностью разъединения соединение между соплом и корпусом.

Предпочтительно выступающая часть сопла является по существу кольцевой. Устройство включает опору в виде стойки, присоединенной к корпусу, и указанная втулка имеет три сквозных отверстия, причем два (пара) из указанных отверстий предусмотрены в положениях, при которых они расположены симметрично относительно оси симметрии вдоль имеющей вид стойки опоры, при этом третье отверстие выполнено на одной линии с осью симметрии втулки и в той части корпуса, которая удаленна от связи между имеющей вид стойки опорой и корпусом.

Предпочтительно сопло имеет кольцевую выемку, вокруг которой сверху расположена втулка, причем между выемкой и втулкой образована камера распределения, в которую может быть подведено топливо из первого канала для выпуска через множество вторых каналов в сопле в камеру сгорания, расположенную за соплом по ходу течения.

В устройстве согласно изобретению между соплом и втулкой и по существу вдоль каждой из двух сторон камеры распределения выполнено соединение сваркой или пайкой, которое размещено в гнезде сопла. Втулка имеет увеличенную (расширенную) часть, расположенную между парой сквозных отверстий, причем увеличенная часть имеет отверстие, которое образует концевой участок канала для подвода топлива в камеру распределения. Причем сквозное отверстие, которое образует концевой участок канала для подвода топлива, соединено со вторым участком канала для подвода топлива в имеющей вид стойки опоре, и предусмотрено уплотнение между отверстием, образующим концевой участок канала для подвода топлива, и вторым участком канала для подвода топлива. Вторые каналы выполнены внутри сопла и открыты в камеру сгорания в передней части сопла.

Сопло предпочтительно содержит, по меньшей мере, одну кольцевую выемку, которая соединена, по меньшей мере, с первым каналом для подвода топлива, и предусмотрено множество вторых каналов в сопле, находящихся в связи с указанной выемкой, предназначенных для распределения топлива в камере сгорания, расположенной за соплом по ходу течения.

Дополнительные характерные признаки устройства для присоединения согласно изобретению также определены в формуле изобретения.

Предпочтительно то, что устройство для присоединения согласно настоящему изобретению не только экономично с точки зрения его изготовления, но также оно обеспечивает возможность выполнения операций, связанных с вмешательством в работу сопла или корпуса камеры предварительного смешивания, существенно более экономичным образом по сравнению с тем, как это осуществляется в соответствии с известным техническим уровнем.

Дополнительные характерные признаки и преимущества устройства для присоединения сопла камеры предварительного смешивания газовой турбины к корпусу камеры предварительного смешивания, выполненного согласно настоящему изобретению, станут более очевидными из нижеприведенного описания, представленного в виде неограничивающего примера, со ссылкой на приложенные схематичные чертежи, в которых:
- фиг. 1 показывает боковое вертикальное сечение устройства для предварительного смешивания с соплом, установленным на корпусе камеры предварительного смешивания с помощью устройства для присоединения согласно изобретению;
- фиг. 2 показывает вертикальный вид спереди устройства для предварительного смешивания, показанного на фиг.1;
- фиг. 3 показывает сечение на виде в плане устройства для смешивания, показанного на фиг.1; и
- фиг. 4 показывает поперечное сечение детали устройства для присоединения согласно изобретению.

Вышеуказанные фигуры показывают устройство для присоединения сопла камеры предварительного смешивания газовой турбины к корпусу камеры предварительного смешивания, которое обозначено в целом ссылочным номером 31.

Сопло 23 спереди присоединено к корпусу 12 камеры сгорания и размещается в кольцевом гнезде 32, выполненном на конце корпуса 12 камеры 11 предварительного смешивания.

Устройство 31 по существу состоит из фланца, который одной стороной охватывает и удерживает сопло 23 без возможности отсоединения от него и другой стороной присоединен к корпусу 12 камеры 11 предварительного смешивания с возможностью отсоединения с тем, чтобы сделать сопло 23 образующим одно целое с корпусом 12.

Фланец образован с помощью элемента в виде втулки 33, в которую вставлено сопло 23, при этом один конец втулки присоединен к соплу 23 с одной стороны и другой конец присоединен к корпусу 12.

Один конец элемента в виде втулки 33 выполнен с краем 34, который выступает в направлении внутренней полости самого элемента в виде втулки 33 с тем, чтобы образовать буртик, в который упирается выступающая часть 35 сопла 23.

Край 34 проходит вдоль всей периферии элемента в виде втулки 33 и также является кольцевым.

Выступающая часть 35 также является кольцевой и имеет соединение 36 сваркой или пайкой на периферии, образованное путем использования твердого припоя и предназначенное для крепления элемента в виде втулки 33 к соплу 23.

С другой стороны, второй конец элемента в виде втулки 33 служит опорой удлинению 37 в виде пластины, которое выступает в направлении наружной стороны элемента в виде втулки 33 и упирается в переднюю часть корпуса 12. В этом удлинении 37 выполнены три сквозных отверстия, которые выставлены относительно такого же числа сквозных отверстий, выполненных в корпусе 12, в которые вставлены винты 38 как резьбовые фиксирующие (крепежные) элементы. Винты 38 фиксируются в резьбовой части сквозных отверстий, выполненных в корпусе 12 камеры 11 предварительного смешивания, с тем, чтобы образовать выполненное с возможностью разъединения соединение между соплом 23 и корпусом 12 камеры 11 предварительного смешивания.

Два из трех отверстий элемента в виде втулки 33 и, следовательно, также два из трех отверстий корпуса 12 находятся в положениях, при которых они расположены симметрично относительно оси 39 симметрии устройства 31 и устройства 10 для предварительного смешивания в той части, в которой корпус 12 присоединен к выполненной в виде стойки опоре 13 устройства 10 для предварительного смешивания. Эти отверстия открываются в выемки 40, предусмотренные в увеличенной (расширенной) части 41 удлинения 37 в виде пластины.

Ось третьего отверстия совпадает с осью 39 симметрии, и третье отверстие также выполнено в части, противоположной той, в которой имеющая вид стойки опора присоединена к корпусу 12 камеры 11 предварительного смешивания и в которой выполнены первые два отверстия.

Вдоль сопла 23 и рядом с выступающей частью 35 выполнена кольцевая выемка 42, которая окружена элементом в виде втулки 33. Кольцевая выемка 42, которая закрыта элементом в виде втулки 33, образует камеру 43 распределения, которая сообщается с каналом 18, выполненным в имеющей вид стойки опоре 13, и со вторыми каналами 44, выполненными внутри корпуса сопла 23. Каналы 44 открываются в камеру предварительного смешивания с передней части корпуса сопла 23.

Канал 18 обеспечивает подвод топлива в камеру 43 распределения, и оттуда топливо распределяется по каналам 44 в камеру предварительного смешивания с тем, чтобы питать растопочное пламя, которое обычно имеет кольцевую форму и окружает основное пламя, образованное за счет сгорания топлива, распределенного инжектором 22.

В варианте осуществления, показанном в качестве неограничивающего примера, имеются восемь каналов 44, выполненных внутри корпуса сопла 23 и расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга по окружности сопла.

Сопло 23 имеет вторую кольцевую расширенную часть, которая проходит параллельно выемке 42, образующей камеру 43 распределения, и на которой предусмотрено второе соединение 45 сваркой или пайкой, образованное путем использования твердого припоя и предназначенное для крепления элемента в виде втулки 33 на сопле 23. Как соединение 36 сваркой или пайкой, так и соединение 45 сваркой или пайкой, которые обеспечивают соединение элемента в виде втулки 33 с соплом 23, гарантируют уплотнение камеры 43 распределения.

Подвод в камеру 43 распределения осуществляется с помощью канала 18. Канал 18 имеет два участка: первый участок 18а выполнен в имеющей вид стойки опоре 13. Участок 18а имеет на одном конце элемент 46 для присоединения к внешнему трубопроводу, ведущему к устройству 10 для предварительного смешивания, и, с другой стороны, противоположный конец заканчивается расширением, которое образует посадочное место для размещения уплотнения "elicoflex" 47 между первым участком 18а канала 18 и вторым участком 18b, выполненным в элементе в виде втулки 33.

Уплотнение "elicoflex" состоит из тороидального корпуса, изготовленного из материала, пригодного для обеспечения уплотнения, внутри которого предусмотрен упругий элемент. Когда уплотнение "elicoflex" размещают в предназначенном для него посадочном месте, упругий элемент стремится расшириться, тем самым прижимая уплотняющие поверхности тороидального элемента к поверхностям посадочного места. За счет этого оптимальное уплотнение обеспечивается даже в экстремальных условиях.

Участок 18b выполнен в увеличенной (расширенной) части 41 удлинения 37 в виде пластины между парой сквозных отверстий, которые расположены симметрично относительно оси 39. Участок 18b образован предпочтительно наклонным сквозным отверстием, которое имеет первый конец на стенке удлинения 37 в виде пластины рядом с участком 18а и второй конец рядом с выемкой 42.

Монтаж и отсоединение устройства, предназначенного для присоединения сопла камеры предварительного смешивания газовой турбины к корпусу камеры предварительного смешивания и выполненного согласно изобретению, осуществляются исключительно просто и быстро и, в частности, так, как описано ниже.

Монтаж выполняют путем размещения сопла 23, которое образует одно целое с втулкой 33, в гнезде (посадочном месте) 32 корпуса 12 камеры 11 предварительного смешивания после предварительной установки уплотнения "elicoflex" 47. После этого винты 38 вставляют в соответствующие отверстия в удлинении 37 в виде пластины и затягивают внутри резьбовых отверстий корпуса 12. Впоследствии образованные соединения затягивают с целью предотвращения поворота винтов.

Отсоединение выполняют путем удаления винтов 38 и последующего отсоединения элемента в виде втулки 33, который образует одно целое с соплом 23, с целью технического обслуживания, текущего ремонта и/или замены при необходимости.

Как известно, в процессе функционирования газовой турбины, которая содержит устройство, предназначенное для присоединения сопла камеры предварительного смешивания газовой турбины к корпусу камеры предварительного смешивания и выполненное согласно изобретению, топливо подается по каналу 17 к наружному элементу 21а центробежной форсунки 21. Топливо проходит в камеру 11 предварительного смешивания, в которой образуется смесь воздуха и топлива. Образованию смеси способствует турбулентность воздуха, вызванная центробежной форсункой 21. Впоследствии смесь проходит через сопло 23 и в камеру предварительного смешивания, где она сжигается. Элемент в виде втулки 33 согласно изобретению компенсирует все напряжения, возникающие в сопле 23, и удерживает его зафиксированным прочно и надежно на корпусе 12 камеры 11 предварительного смешивания.

Кроме того, по каналу 18 топливо подается внутрь камеры 43 распределения. Оттуда по каналам 44 топливо проходит в камеру сгорания, где оно питает растопочное пламя. Уплотнение между участками 18а и 18b канала 18 обеспечивается уплотнением "elicoflex" 47. Кроме того, уплотнение камеры 43 распределения обеспечивается соединениями 36, 45 сваркой или пайкой, образованными с помощью твердого припоя между соплом 23 и элементам в виде втулки 33.

Рационально то, что возможны модификации и варианты, при этом, например, элемент в виде втулки можно сделать образующим одно целое с соплом 23 с помощью микросварки плавлением, в результате чего отпадает необходимость образования соединений 36, 45 сваркой или пайкой с помощью твердого припоя. Кроме того, элемент в виде втулки может быть зафиксирован на корпусе 12 камеры 11 предварительного смешивания с помощью любого числа винтов 38 в соответствии с возможными конструктивными требованиями, и в различных вариантах осуществления он может быть закреплен с помощью болтов или других элементов, которые легко демонтировать.

Описанный вариант осуществления относится к турбине, в которую подается газообразное топливо, и следует понимать, что преимуществом устройства для присоединения согласно настоящему изобретению является то, что оно также может быть применено для турбины, в которую подается жидкое топливо. В данном варианте осуществления фасонный оживальный (стрельчатый) элемент представляет собой инжектор 22.

На практике было установлено, что устройство, предназначенное для присоединения сопла камеры предварительного смешивания газовой турбины к корпусу камеры предварительного смешивания и выполненное согласно изобретению, является особенно предпочтительным, поскольку оно обеспечивает возможность значительного упрощения операций, связанных с техническим обслуживанием и текущим ремонтом турбины, а также позволяет в качестве возможного варианта выполнять замену сопла устройства для предварительного смешивания по существу простым и быстрым образом.

Кроме того, несмотря на то, что канал, который обеспечивает подвод в камеру распределения, образован двумя отдельными участками, он имеет оптимальные характеристики с точки зрения уплотнения. Это достигается за счет использования уплотнительного кольца "elicoflex", которое даже при неблагоприятном режиме работы гарантирует высокий уровень надежности.

К этому также следует добавить большую жизнеспособность устройства с экономической точки зрения и его надежность.

Сконструированное таким образом устройство, предназначенное для присоединения сопла камеры предварительного смешивания газовой турбины к корпусу камеры предварительного смешивания, может быть подвергнуто многочисленным модификациям и изменениям, которые все находятся в рамках объема изобретения; кроме того, все детали могут быть замены технически эквивалентными элементами.

На практике могут быть использованы любые материалы и размеры в соответствии с техническими требованиями.

Реферат

Устройство, предназначенное для присоединения сопла камеры предварительного смешивания газовой турбины к корпусу камеры предварительного смешивания, содержит, по меньшей мере, один фланец, который охватывает и удерживает указанное сопло в корпусе. Фланец присоединен с возможностью отсоединения к корпусу камеры предварительного смешивания с тем, чтобы сделать сопло образующим одно целое с корпусом камеры предварительного смешивания. Изобретение позволит быстро и просто производить соединение сопла с корпусом камеры предварительного смешивания. 10 з.п.ф-лы, 4 ил.

Формула