КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 1995 года по МПК F02C3/30 F23R3/16 

Изобретение относится к газотурбинным установкам (ГТУ) с охлаждением горячих частей газотурбинного тракта за счет испарения впрыскиваемой в этот тракт воды.

Известна камера сгорания для газовой турбины, содержащая кожух, установленную внутри него с зазором жаровую трубу с выходным каналом, воздушный и топливный коллекторы с выходными отверстиями, соединенными с внутренней полостью жаровой трубы, коллектор подачи воды с впрыскивающими устройствами, сообщенными с внутренней полостью кожуха.

Недостатком известной камеры сгорания является недостаточное охлаждение стенок камеры сгорания, а также возможность неполного испарения впрыскиваемой воды из-за того, что частицы воды и продуктов сгорания движутся в одном направлении.

Целью настоящего изобретения является создание устройства с более эффективным использованием впрыска воды, включая охлаждение за его счет наиболее теплонапряженных элементов камеры сгорания. Эта цель достигается путем помещения жаровой трубы, в которой происходит сжигание газовоздушный смеси, внутрь кожуха, в котором за счет испарения спрыскиваемой воды генерируется парогазовое рабочее тело для подачи его в сопловой аппарат газовой турбины. Т. е. тем, что в предлагаемой камере сгорания, содержащей кожух, установленную внутри него с зазором жаровую трубу с выходным каналом, воздушный и топливный коллекторы с выходными отверстиями, соединенными с внутренней полостью жаровой трубы, коллектор подачи воды с впрыскивающими устройствами, сообщенными с внутренней полостью кожуха, выходной канал жаровой трубы ориентирован навстречу впрыскивающим воду устройствам, а кожух снабжен выходным кольцевым соплом, расположенным с противоположной стороны от выходного канала жаровой трубы и впрыскивающих устройств, оси выходных отверстий воздушного и топливного коллекторов расположены под углом друг к другу с пересечением их на входе во внутреннюю полость жаровой трубы. Выходные отверстия воздушного и топливного коллекторов могут быть выполнены в виде щелевых сопел, а кожух камеры сгорания, жаровая труба, воздушный, топливный и водяной коллекторы - в форме колец различного сечения.

При этом продольная ось жаровой трубы может быть расположена либо радиально по отношению к кольцевому кожуху, либо под некоторым углом к этому направлению. Камера сгорания может быть снабжена переходным кольцом для сопряжения кольцевых воздушного и топливного коллекторов с жаровой трубой, которое имеет поперечные окна, расположенные в зазоре между кожухом камеры и ее жаровой трубой, а впрыскивающие устройства коллектора подачи воды снабжены точечными соплами, расположенными по периметру кожуха.

На фиг. 1 изображен поперечный разрез камеры сгорания газотурбинной установки с радиальным расположением продольной оси жаровой трубы; на фиг. 2 - фрагмент, с наклонным расположением продольной оси жаровой трубы; на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 1.

Камера сгорания газотурбинной установки содержит кожух 1, установленную внутри него с зазором 2 жаровую трубу 3 с выходным каналом 4, воздушный и топливный коллекторы 5, 6 с выходными отверстиями 7, 8 соответственно, соединенными с внутренней полостью жаровой трубы 3. Выходной канал 4 жаровой трубы 3 ориентирован встречно вспрыскивающим устройствам 9, выполненным в виде точечных сопел и равномерно распределенных по наружному периметру кожуха 1 (фиг. 3). Для подачи воды к впрыскивающим устройствам 9 камера имеет кольцевой коллектор 10. Выходные отверстия 7 и 8 соответственно воздушного и топливного коллекторов 5 и 6 могут быть выполнены в форме щелевых сопел. Камера сгорания газотурбинной установки может быть выполнена кольцевой, в таком случае ее кожух 1, жаровая труба 3, воздушный и топливный коллекторы 5 и 6, водяной коллектор 10 выполнены в форме колец различного сечения. Для сопряжения воздушного и топливного коллекторов 5 и 6 с внутренней полостью жаровой трубы 3 имеется переходное кольцо 11, снабженное поперечными окнами 12, расположенными в зазоре 2 между кожухом 1 и жаровой трубой 3. Кожух 1 снабжен кольцевым выходным соплом 13, расположенным с противоположной стороны от выходного канала 4 и впрыскивающих устройств 9. На воздушном и топливном коллекторах 5 и 6 установлены соответственно регуляторы 14 и 15 подачи воздуха и топлива, на водяном коллекторе 10 - регулятор подачи воды 16. Камера сгорания заключена в теплоизолирующую оболочку 17, установленную вокруг кожуха 1 с примыкающими к нему коллекторами 5, 6 и 9 и заполненную теплоизоляционным материалом 18.

Камера сгорания газотурбинной установки работает следующим образом.

С помощью регуляторов 15 и 16 через выходные отверстия 7 и 8 в виде щелевых сопел осуществляется дозированная подача воздуха и топлива в жаровую трубу 3 и тем самым в ней поддерживается устойчивое горение газовоздушной смеси. Размещение выходных отверстий 7 и 8 воздушного и топливного коллекторов 5 и 6 под углом друг к другу с общей точкой входа в жаровую трубу 3 создает пересекающиеся потоки воздуха и топлива, гарантирующие их хорошее перемешивание и обеспечивающее полное сгорание топлива при небольшом коэффициенте избытка циклового воздуха. Образующееся из продуктов сгорания рабочее тело через выходной канал 4 поступает в зазор 2. Навстречу потоку продуктов сгорания через равномерно расположенные по всей окружности точечные сопла 9 впрыскивается вода из коллектора 10, подача которой дозируется регулятором 16. Образующееся при этом парогазовое рабочее тело с более низкой температурой, чем истекающие через сопло 4 из жаровой трубы 3 продукты сгорания, обтекают жаровую трубу 3 снаружи по всему периметру, охлаждая ее. Для исключения образования застойных зон в районе примыкания переходного кольца 11 к жаровой трубе 3, оно имеет расположенные между выходными отверстиями 7 и 8 поперечные окна 12 для пропуска парогазового рабочего тела по всему периметру жаровой трубы 3.

Одновременно с улучшением охлаждения жаровой трубы 3 пропуск парогазового рабочего тела через поперечные окна 12 обеспечивает дополнительный подогрев воздуха и топлива через щелевые выходные отверстия 7 и 8 перед их поступлением в жаровую трубу 3. Генерируемое в зазоре 2 парогазовое рабочее тело подается через выходное кольцевое сопло 13 в направляющий аппарат газовой турбины, которая в данном случае работает по парогазовому циклу. За счет теплоизоляции камеры сгорания с помощью общей для кожуха 1 и коллекторов 5, 6 и 10 оболочки 17, заполненной теплоизоляционным материалом 18, обеспечивается предварительный подогрев всех трех компонентов образования парогазового рабочего тела. При этом вода в коллекторе 10 нагревается до температуры, максимально близкой к температуре парообразования в зазоре 2 для возможно более полного использования теплоты продуктов сгорания для образования водяного пара.

Преимущества предложенной конструкции камеры сгорания газотурбинной установки заключаются в том, что для охлаждения наиболее теплонапряженного элемента камеры сгорания жаровой трубы используется та же среда, которая является рабочим телом газовой турбины и температура которого может понижаться до любого заданного уровня с помощью впрыска воды непосредственно в камеру сгорания.

Это существенно упрощает конструкцию газотурбинной установки и повышает ее топливную эффективность за счет более полного использования теплоты сжигаемого топлива.

Использование: в газотурбинных установках. Сущность изобретения: жаровая труба, в которой происходит сжигание газовоздушной смеси, помещена внутрь кожуха, в котором за счет испарения впрыскиваемой воды генерируется парогазовое рабочее тело для подачи его в сопловой аппарат газовой турбины. При этом выходной канал жаровой трубы ориентирован навстречу впрыскивающим устройствам, подающим воду в зазор между жаровой трубой и кожухом камеры сгорания, а сам кожух снабжен выходным кольцевым соплом, расположенным с противоположной стороны от выходного канала жаровой трубы и впрыскивающих устройств. 8 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ, содержащая кожух, установленную внутри него с зазором жаровую трубу с выходным каналом, воздушный и топливный коллекторы с выходными отверстиями, соединенными с внутренней полостью жаровой трубы, коллектор подачи воды с впрыскивающими устройствами, сообщенными с внутренней полостью кожуха, отличающаяся тем, что кожух снабжен выходным соплом, расположенным с противоположной стороны от впрыскивающих устройств и выходного канала жаровой трубы, причем последний ориентирован встречно впрыскивающим устройствам. 2. Камера по п.1, отличающаяся тем, что кожух, жаровая труба, воздушный, топливный коллекторы и коллектор подачи воды выполнены в форме колец различного сечения. 3. Камера по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что продольная ось жаровой трубы расположена радиально по отношению к кольцевому кожуху или под некоторым углом к этому направлению. 4. Камера по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что оси выходных отверстий воздушного и топливного коллекторов расположены под углом одна к другой с пересечением их на входе во внутреннюю полость жаровой трубы. 5. Камера по пп. 1 - 4, отличающаяся тем, что выходные отверстия воздушного и топливного коллекторов выполнены в форме щелевых сопл. 6. Камера по пп.1 - 5, отличающаяся тем, что она снабжена для сопряжения воздушного и топливного коллекторов с жаровой трубой переходным кольцом, имеющим поперечные окна, расположенные в зазоре между кожухом и жаровой трубой. 7. Камера по пп.1 - 6, отличающаяся тем, что впрыскивающие устройства коллектора подачи воды снабжены точечными соплами, расположенными по периметру кожуха. 8. Камера по пп.1 - 7, отличающаяся тем, что выходной канал жаровой трубы и выходное сопло кожуха выполнены в форме кольцевых сопл. 9. Камера по пп.1 - 8, отличающаяся тем, что она снабжена теплоизолирующей оболочкой, установленной вокруг кожуха с примыкающими к нему воздушным, топливным коллекторами и коллектором подачи воды и заполненной теплоизоляционным материалом.