СЕКЦИЯ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 1994 года по МПК F02C3/00 

Изобретение относится к энергомашиностроению, в частности, к секционным камерам сгорания (КС) газотурбинных установок (ГТУ).

Известна секционная камера сгорания ГТУ, каждая секция которой содержит корпус, в полости которого установлены жаровая труба, соединенная с закрепленным на диафрагме переходным патрубком (см. например, Ольховский Г.Г. "Энергетические газотурбинные установки", М.: Энергоато- миздат. - 1985, - с. 28, рис. 21-а). Недостатком известной секционной камеры сгорания является сравнительно неэффективная система охлаждения стенок жаровой трубы и особенно переходного патрубка. В частности, стенки переходного патрубка охлаждаются потоком воздуха с натужной стороны, поток этот не организован специальным образом (например, отсутствуют кожухи), хаотичен и имеет сравнительно невысокие скорости. Поэтому температура рабочего тела (газа) перед турбиной в известной камере сгорания ограничена порогом в 1100-1150^оС. При больших подогревах газов температура стенки переходного патрубка вследствие недостаточно эффективного охлаждения может превысить допустимую, что уменьшит надежность камеры и ГТУ в целом.

За прототип выбрана известная секционная камера сгорания с более эффективным охлаждением переходного патрубка, каждая секция которой содержит корпус, в полости которого установлена жаровая труба, соединенная с закрепленным на диафрагме переходным патрубком, и размещенные с образованием кольцевого канала вокруг каждой жаровой трубы и каждого переходного патрубка перфорированные кожухи. В известной конструкции секционной камеры сгорания кожух переходного патрубка со стороны диафрагмы скреплен собственно переходным патрубком, а кожух жаровой трубы со стороны горелки жестко закреплен на корпусе. Оба кожуха (жаровой трубы и переходного патрубка) не скреплены между собой и образуют в месте стыкования кольцевой канал для прохода охлаждающего воздуха.

По сравнению с аналогом охлаждение переходного патрубка прототипа значительно эффективнее. Его стенки охлаждаются лобовыми ударами струй воздуха, проходящего в перфорацию. Система охлаждения равномерна, строго дозирована и в достаточной степени оптимизирована. Поэтому температура рабочего тела в прототипе может достигать 1250-1300^оС.

Однако, прототип имеет недостатки. Основной из них связан с тем, что собственно переходной патрубок через жестко скрепленный с ним кожух подвержен одностороннему динамическому и статическому воздействию потока циклового воздуха, выходящего из диффузора компрессора. Это обстоятельство в значительной мере уменьшает надежность и ресурс камеры сгорания. Кроме того, интенсивность охлаждения переходного патрубка ограничивается возможностью использования только части циклового воздуха, что очевидно налагает в целях оптимизации охлаждения более жесткие требования к сечению канала между переходным патрубком и кожухом.

Целью изобретения является повышение надежности за счет защиты переходных патрубков и жаровых труб от силового воздействия потока воздуха, выходящего из диффузора компрессора, и увеличение доли охлаждающего переходный патрубок воздуха путем исключения контакта между переходным патрубком и кожухами, т. е. исключения воздействия непосредственно на переходный патрубок динамической нагрузки от струи воздуха.

Поставленная цель достигается тем, что в известной секции камеры сгорания, содержащей корпус, в полости которого установлены жаровая труба, соединенная с закрепленным на диафрагме переходным патрубком, размещенные с образованием кольцевого канала вокруг каждой жаровой трубы и каждого переходного патрубка перфорированные кожухи, последние жестко соединены между собой, свободный конец кожуха жаровой трубы установлен в корпусе с возможностью осевого и углового перемещений, свободный конец кожуха переходного патрубка шарнирно закреплен за корпус, при этом кольцевой канал со стороны свободного конца сообщен с полостью корпуса.

По сравнению с аналогом в изобретении охлаждение переходного патрубка значительно эффективнее, так как организуется струйное воздушное охлаждение равномерно по всей поверхности. Происходит это благодаря перфорированному кожуху, поэтому в изобретении допустим подогрев рабочего тела до 1250-1300^оС при обеспечении сравнительно высокой надежности. Совокупность признаков содержит отличительный признак - перфорированный кожух, что характеризует изобретение как существенно отличающееся от аналога.

По сравнению с прототипом изобретение позволяет решить поставленную техническую задачу. Это достигается тем, что устраняется жесткая, а также любая другая связь между защитными кожухами и жаровой трубой и переходным патрубком. В изобретении другой конец кожуха жаровой трубы установлен в полости корпуса в положение контакта с корпусом с возможностью осевого и углового перемещения (шаровая опора), а другой конец кожуха переходного патрубка шарнирно закреплен на корпусе, при этом кольцевой канал со стороны указанного другого конца переходного патрубка сообщен с полостью корпуса. Таким образом, между кожухом и переходным патрубком, а также собственным кожухом и жаровой трубой нет механического замыкания. Такая конструкция позволяет устранить влияние динамических и статических нагрузок, вызываемых потоком воздуха, выходящего из диффузора компрессора, непосредственно на переходный патрубок и жаровую трубу - наиболее теплонапряженные узлы камеры сгорания. Всю динамическую нагрузку воспринимают защитные кожухи, которые имеют температуру всего 300-400^оС (температуру охлаждающего воздуха).

Кроме того, вследствие жесткого соединения между собой кожухов жаровой трубы и переходного патрубка и сообщения кольцевого канала между стенками патрубка и кожухом с полостью корпуса камеры сгорания со стороны свободного конца кожуха переходного патрубка интенсифицируется охлаждение патрубка. Последнее обусловлено тем, что в этом случае большая доля воздуха пройдет вдоль тела патрубка, охлаждая его (в прототипе часть воздуха сбрасывалась в щель между кожухами жаровой трубы и патрубка уже за пределами патрубка, и эта часть омывала только стенки жаровой трубы).

Таким образом, по сравнению с прототипом при прочих равных условиях (одинаковом подогреве, например), изобретение обладает большим ресурсом и надежностью вследствие устранения динамического силового воздействия на переходный патрубок и жаровую трубу, а также вследствие интенсификации охлаждения.

Таким образом, изобретение существенно отличается от прототипа, поскольку характеризуется новой совокупностью признаков, обеспечивающей решение поставленной задачи - исключить контакту между переходным патрубком, жестко связанным с жаровой трубой, и кожухами.

Изобретение поясняется чертежом.

На фиг.1 представлена секция камеры сгорания ГТУ, продольный разрез; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Секция камеры сгорания ГТУ содержит корпус 1, в полости 2 которого установлена жаровая труба 3, соединенная с закрепленным на диафрагме 4 переходным патрубком 5, размещенные с образованием кольцевого канала 6 вокруг каждого патрубка 5 и каждой жаровой трубы 3 кожухи 7 и 8. Последние жестко соединены между собой. Другой конец 9 кожуха 7 жаровой трубы 3 установлен в полости 2 в положение контакта с корпусом 1 с возможностью осевого и углового перемещения. Другой конец 10 кожуха 8 переходного патрубка 5 шарниром 11 закреплен за корпус 1 (возможно также закрепление за диафрагму 4), при этом в указанном положении кольцевой канал 6 со стороны другого конца 10 кожуха 8 сообщен с полостью 2 корпуса 1. Следует учесть, что конец 10 кожуха 8 установлен в положение контакта с корпусом 1 посредством шаровой опоры 15.

Устройство работает следующим образом. Сжатый в компрессоре воздух с большой скоростью поступает в полость 2 через диффузор 11. Далее через систему отверстий перфорированных кожухов 7 и 8 поступает в кольцевой канал 6. Выходя из отверстий 12 струи воздуха охлаждают стенки 13 патрубка 5 и жаровой трубы 3. Часть воздуха поступает через открытый конец 10 кожуха 8. Распространяясь в кольцевом канале 6 вдоль всей поверхности патрубка 5 и жаровой трубы 3 в направлении от конца 10 к концу 9, воздух конвективно охлаждает стенки 13. Далее воздух проходит через фронтовое устройство 14 внутрь жаровой трубы 3, где участвует в горении. Подогретые до 1100-1250^оС газы поступают на диафрагму 4 направляющих лопаток и далее в турбину.

Создаваемые скоростным потоком воздуха, выходящего из диффузора 11, динамические и статические нагрузки воспри- нимаются защитными кожухами 7 и 8 и передаются корпусу 1.

В соответствии с описанием изобретения на ПО ЛМЗ разработаны рабочие чертежи секционной камеры сгорания применительно к мощной высокотемпературной газотурбинной установке ГТЭ-200 мощностью 200 МВт.

Экономический эффект при использовании изобретения получается за счет увеличения ресурса переходного патрубка вследствие повышения надежности.

В качестве базы для сравнения принят срок службы переходного патрубка до использования изобретения, который зафиксирован на эксплуатируемой газотурбинной установке ГТ-100 мощностью 100 МВт.

Исходная формула для расчета экономического эффекта имеет вид
Э = Ц - A , где Ц - стоимость патрубка, руб.;
α₁иα₂ - коэффициенты приведения по фактору времени соответственно до и после использования изобретения;
А - количество патрубков в турбине.

Исходные данные для расчета приведены в таблице.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: секция содержит корпус 1, в полости 2 которого установлены жаровая труба 3, соединенная с закрепленным на диафрагме 4 переходным патрубком 5, размещенные с образованием кольцевого канала 6 вокруг каждого патрубка 5 и каждой жаровой трубы кожухи 7 и 8. Последние жестко соединены между собой. Другой конец кожуха установлен с возможностью контакта с корпусом. Другой конец кожуха 8 шарнирно закреплен на корпусе. Кольцевой канал корпуса 8 сообщен с полостью 2 корпуса. 2 ил., 1 табл.

СЕКЦИЯ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ, содержащая корпус, в полости которого размещены жаровая труба, соединенная с переходным патрубком, и установленные с образованием кольцевого канала вокруг жаровой трубы и переходного патрубка перфорированные кожухи, один конец перфорированного кожуха переходного патрубка шарнирно закреплен на корпусе, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности, увеличения доли охлаждающего переходной патрубок воздуха и исключения контакта между переходным патрубком и кожухами, кожухи жаровой трубы и переходного патрубка концами, обращенными друг к другу, жестко соединены между собой, при этом другой конец кожуха жаровой трубы установлен с возможностью контакта с корпусом, а кольцевой канал между переходным патрубком и его кожухом сообщен с полостью корпуса.