КАМЕРА СГОРАНИЯ Российский патент 2012 года по МПК F23R3/06 F23R3/60 

Настоящее изобретение относится к камере сгорания, в частности к предкамере камеры сгорания газовой турбины, с системой охлаждения.

Газовая турбина обычно содержит компрессор, камеру сгорания и турбину. Компрессор сжимает воздух, который подается в камеру сгорания, где он смешивается с топливом. Внутри камеры сгорания полученная в результате топливно-воздушная смесь сгорает. В процессе сгорания топлива и воздуха образуется горячий газ, выделяющийся при горении. Данный выделяющийся при горении газ, используется, чтобы приводить в действие турбину. Типичная камера сгорания содержит горелку, предкамеру, которая расположена вплотную к горелке, и основную камеру сгорания. Предкамера особенно подвергается воздействию очень высоких температур, вследствие своего расположения около горелки. Если предкамера достигает определенной температуры, она становится предрасположенной к образованию углеродистых отложений, и тогда на металл корпуса предкамеры может быть оказано негативное воздействие.

Чтобы защитить составные части предкамеры, в корпус предкамеры добавляют охлаждающие отверстия. Охлаждение, например, сжатым воздухом ограничивает максимальную температуру предкамеры. Однако воздух, который используется для охлаждения, мог бы, в противном случае, также производить работу в турбине и, таким образом, оказывает воздействие на эффективность турбины, даже хотя это всего лишь и незначительное воздействие.

Вследствие этого цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить камеру сгорания с улучшенным охлаждением. Дополнительная цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить выгодную газовую турбину.

Первая цель достигается посредством камеры сгорания, как заявлено в пункте 1 формулы изобретения. Вторая цель достигается посредством газовой турбины, как заявлено в пункте 7 формулы изобретения. Зависимые пункты дополнительно определяют усовершенствования изобретения.

Камера сгорания изобретения содержит внутренний корпус с поверхностью скольжения и наружный корпус с участком скольжения стенки. Поверхность скольжения и участок скольжения стенки прикреплены друг к другу с возможностью скольжения, по меньшей мере, в одной зоне прикрепления. Камера сгорания изобретения дополнительно содержит, по меньшей мере, одно охлаждающее отверстие, которое расположено на участке скольжения стенки. Данное охлаждающее отверстие, по меньшей мере, частично расположено на таком участке скольжения стенки, что оно открывается вследствие скользящего движения поверхности скольжения по отношению к участку скольжения стенки, когда внутренний корпус термически расширяется, и/или закрывается вследствие скользящего движения поверхности скольжения по отношению к участку скольжения стенки, когда внутренний корпус термически сужается. Это означает, что охлаждающее отверстие открывается и закрывается вследствие теплового расширения и сужения внутреннего корпуса в то время, как наружный корпус, который охлаждается воздухом от компрессора, имеет приблизительно постоянную температуру и, вследствие этого, не расширяется или сужается. Предпочтительно, камера сгорания изобретения может содержать ряд таких охлаждающих отверстий.

В изобретении используется разница температур между внутренним корпусом и наружным корпусом камеры сгорания. Температура наружного корпуса регулируется температурой сжатого воздуха, поступающего из компрессора. Как правило, канал потока, содержащий сжатый воздух, окружает наружный корпус камеры сгорания. Вследствие этого, температура наружного корпуса достаточно постоянная. В противоположность этому, температура внутреннего корпуса регулируется температурой пламени, которая варьирует в зависимости от наличия и характеристик пламени. Это означает, что высокие температуры внутри камеры сгорания являются причиной расширения внутреннего корпуса, тогда как наружный корпус почти сохраняет свою форму. В процессе расширения внутреннего корпуса охлаждающее отверстие открывается. Открытое охлаждающее отверстие обеспечивает горячий внутренний корпус достаточно охлажденным воздухом. Если внутренний корпус снова охлаждается, она сужается, а охлаждающее отверстие, вследствие такого сужения, автоматически закрывается. Следовательно, изобретение обеспечивает простое средство для переменного охлаждения внутреннего корпуса таким образом, что охлаждающий поток, при необходимости, увеличивается, в условиях, когда температура пламени высокая, что происходит при больших нагрузках.

Охлаждающее отверстие может иметь круглое, треугольное, прямоугольное или трапециевидное поперечное сечение. Посредством формы поперечного сечения отверстия можно устанавливать размер увеличения потока охлаждающей текучей среды, связанный с плавным движением поверхности скольжения по отношению к участку скольжения стенки. Форма охлаждающего отверстия и его поперечное сечение могут, таким образом, быть приспособлены к необходимому охлаждающему потоку, который должен быть получен для конкретной температуры.

Камера сгорания может дополнительно содержать предкамерную область, и в данной предкамерной области могут быть расположены поверхность скольжения и участок скольжения стенки. Кроме того, камера сгорания может содержать выходной конец, где внутренний корпус и наружный корпус соединены вместе. В таком случае, поверхность скольжения внутреннего корпуса и участок скольжения стенки наружного корпуса должны быть преимущественно прикреплены друг к другу с возможностью скольжения на входном конце камеры сгорания, поскольку относительное движение вследствие теплового расширения внутреннего корпуса в данной области является наибольшим.

Предпочтительно, внутренний корпус может содержать, по меньшей мере, одну прокладку, которая расположена между наружным корпусом и внутренним корпусом. Поверхность скольжения тогда является поверхностью прокладки, которая обращена в сторону наружного корпуса. Прокладка, в частности, может представлять собой установочное кольцо. Прокладка или установочное кольцо обеспечивает достаточное расстояние между внутренним и наружным корпусами. Возникающее пространство между внутренним и наружным корпусами может быть использовано в качестве канала охлаждающего потока.

В целом, камера сгорания может представлять собой, например, камеру сгорания с системой сухого подавления выбросов (DLE).

Газовая турбина изобретения содержит камеру сгорания, как описано ранее. Газовая турбина изобретения также обладает преимуществами камеры сгорания изобретения.

Дополнительные признаки, свойства и преимущества настоящего изобретения станут понятны из следующего описания варианта осуществления в сочетании с прилагаемыми чертежами.

Фиг.1 схематично показывает продольное сечение через камеру сгорания.

Фиг.2 схематично показывает часть камеры сгорания в перспективном изображении.

Фиг.3 схематично показывает в перспективном изображении поверхность скольжения внутреннего корпуса и участок скольжения стенки наружного корпуса с охлаждающим отверстием.

Фиг.4 схематично показывает в перспективном изображении частично открытое охлаждающее отверстие в наружном корпусе.

Фиг.5 схематично показывает в перспективном изображении полностью открытое охлаждающее отверстие в наружном корпусе.

Фиг.6 схематично показывает в изображении спереди частично открытое треугольное охлаждающее отверстие.

Фиг.7 схематично показывает в изображении спереди частично открытое альтернативное треугольное охлаждающее отверстие.

Вариант осуществления настоящего изобретения будет теперь описан со ссылкой на фиг.1-7. Фиг.1 схематично показывает продольное сечение через камеру сгорания. Камера сгорания содержит горелку с участком завихрителя 14 и участок головки горелки 13, прикрепленные к участку завихрителя 14, переходный отсек, упоминаемый как предкамера 4, и основную камеру 1 сгорания, расположенные по порядку следования текучей среды. Основная камера 1 сгорания имеет больший диаметр, чем диаметр предкамеры 4. Основная камера 1 сгорания соединена с предкамерой 4 на входном конце 6. В целом, предкамера 4 может быть выполнена, как непрерывное продолжение головки 13 горелки в сторону камеры 1 сгорания, как непрерывное продолжение камеры сгорания 4 в сторону головки 13 горелки или как отдельная часть между головкой 13 горелки и камерой 1 сгорания. Сборный узел горелки и камеры 1 сгорания демонстрирует вращательную симметрию относительно продольной оси симметрии 15.

Канал 20 подвода топлива предоставлен для направления в горелку газообразного или жидкого топлива, которое подлежит смешиванию с входящей струей воздуха 16 в завихрителе 14. Топливно-воздушная смесь 17 тогда направляется в сторону зоны горения основной смеси 19, где она сгорает с образованием горячих выхлопных газов с повышенным давлением, текущих в направлении 18, обозначенном стрелками, в турбину газотурбинного двигателя (не показано).

Фиг.2 схематично показывает часть основной камеры 1 сгорания и предкамеры 4 в перспективном виде в разрезе. Основная камера 1 сгорания содержит входной конец 6 и выходной конец 5. На входном конце 6 камера 1 сгорания содержит узкое сечение, которое образует предкамеру 4. Альтернативно, основная камера 1 сгорания может быть соединена с предкамерой 4, которая выполнена как отдельный элемент. Кроме того, основная камера 1 сгорания и, в частности, предкамера 4, содержат внутренний корпус 2 и наружный корпус 3. Внутренний корпус 2 и наружный корпус 3 соединены вместе на выходном конце 5 и плавно перемещаются около входного конца 6 в зоне 7 прикрепления, чтобы обеспечить возможность для дифференциального расширения. Внутренний корпус 2 содержит установочное кольцо 8, которое расположено на входном конце 6 около предкамеры 4. Одна поверхность установочного кольца 8 находится в скользящем контакте с наружным корпусом 3. Данная поверхность образует поверхность 23 скольжения внутреннего корпуса 2, которая вместе с участком скольжения стенки 21 наружного корпуса 3 обеспечивает зону 7 прикрепления.

Между внутренним корпусом 2 и наружным корпусом 3 имеется внутреннее пространство 22, которое может быть использовано в качестве канала для охлаждающего воздуха для охлаждения внутреннего корпуса 2. Для этой цели наружный корпус 3 содержит охлаждающие отверстия 9, которые находятся в пневматическом соединении с внутренним пространством 22 для направления охлаждающего воздуха во внутреннее пространство 22, чтобы охлаждать внутренний корпус 2. Кроме того, внутренний корпус 2 содержит охлаждающие отверстия 10, которые направляют использованный охлаждающий воздух в основную камеру 1 сгорания. Чтобы охлаждать предкамеру 4, охлаждающие отверстия 9 в наружном корпусе 3 обычно помещают главным образом на входном конце 6 наружного корпуса 3.

Камера 1 сгорания изобретения дополнительно содержит охлаждающие отверстия 11 на участке 21 скольжения стенки наружного корпуса 3, т.е. где расположена зона прикрепления 7. Данные отверстия 11 могут быть расположены в месте, где они могли бы полностью открываться при максимальной дифференциальной температуре и частично закрываться, и, таким образом, обеспечивать сниженный охлаждающий поток, когда температура пламени падает. По причине падения температуры, внутренний корпус 2 сужается относительное наружного корпуса 3, и, вследствие этого, установочное кольцо 8 частично закрывает отверстия.

Фиг.3 схематично показывает местоположение охлаждающего отверстия 11 изобретения в перспективном изображении. На фиг.3 можно видеть часть входного конца 6 основной камеры 1 сгорания. Главным образом, можно видеть часть внутреннего корпуса 2, содержащей установочное кольцо 8 и участок 21 скольжения стенки наружного корпуса 3, который находится в скользящем контакте с поверхностью 23 скольжения установочного кольца 8.

Участок 21 скольжения стенки наружного корпуса 3 содержит охлаждающее отверстие 11, которое имеет круглое поперечное сечение. Данное охлаждающее отверстие 11 расположено таким образом, что оно частично закрыто поверхностью 23 скольжения установочного кольца 8. Если внутренний корпус 2 становится горячим, главным образом, в то время, когда камера 1 сгорания находится в работе, тогда внутренний корпус 2 расширяется по сравнению с наружным корпусом 3. Внутренний корпус 2 расширяется в направлении, которое обозначено стрелкой 12, вследствие того, что выходные концы внутреннего корпуса 2 и наружного корпуса 3 соединены вместе. Вследствие данного движения, охлаждающее отверстие 11 дополнительно открывается, и через охлаждающее отверстие 11 во внутреннее пространство 22 между внутренним корпусом 2 и наружным корпусом 3 может проникать больше охлаждающего воздуха, или любой другой охлаждающей текучей среды.

Фиг.4 схематично показывает в перспективном изображении охлаждающее отверстие 11, когда оно частично открыто. Как и на фиг.3, можно видеть установочное кольцо 8 с поверхностью 23 скольжения внутреннего корпуса 2 и участком 21 скольжения стенки наружного корпуса 3. Наружный корпус 3 содержит охлаждающее отверстие 11, которое имеет круглое поперечное сечение. Охлаждающее отверстие 11 помещено на участке 21 скольжения стенки наружного корпуса 3 таким образом, что поверхность скольжения 23 установочного кольца 8 частично закрывает охлаждающее отверстие 11. Охлаждающее отверстие 11 может быть частично закрыто или полностью закрыто поверхностью 23 скольжения, если внутренний корпус 2 имеет такую же температуру, как и наружный корпус 3. Это происходит, например, в случае, когда камера 1 сгорания находится в нерабочем состоянии.

Фиг.5 схематично показывает в перспективном изображении охлаждающее отверстие 11, когда внутренний корпус 2 имеет более высокую температуру, чем наружный корпус 3. В таком случае, внутренний корпус 2 расширен по сравнению с наружным корпусом 3 вследствие повышенной температуры внутри камеры 1 сгорания. Это означает, что установочное кольцо 8 было смещено вертикально относительно наружного корпуса 3. По причине такого смещения поверхность 23 скольжения установочного кольца 8 не может больше либо частично или полностью закрывать охлаждающее отверстие 11. Вследствие этого, охлаждающее отверстие 11 на фиг.5 полностью открыто. Теперь в охлаждающее отверстие 11 может проникать максимальной поток охлаждающей текучей среды и может сталкиваться с внутренним корпусом 2 и протекать через внутреннее пространство 22.

Местоположение и форма охлаждающего отверстия 11 могут быть оптимизированы, чтобы удовлетворять оптимальным характеристикам потока и установить необходимую зависимость изменения охлаждающего воздушного потока через отверстие от расширения внутреннего корпуса 2. Примеры альтернативного поперечного сечения охлаждающего отверстия 11 продемонстрированы на фиг.6 и 7. Фиг.6 и 7 схематично демонстрируют в изображении спереди охлаждающее отверстие 11 с треугольным поперечным сечением. На обеих фигурах охлаждающее отверстие 11 расположено на участке 21 скольжения стенки наружного корпуса 3 таким образом, что внутренний корпус 2, а более точно поверхность 23 скольжения установочного кольца 8, частично закрывает охлаждающее отверстие 11. На фиг.6 охлаждающее отверстие 11 расположено на участке 21 скольжения стенки наружного корпуса 3 таким образом, что одна вершина его треугольного поперечного сечения указывает в направлении предкамеры 4. В противоположность этому, на фиг.7 одна вершина треугольного поперечного сечения охлаждающего отверстия 11 указывает в направлении выходного конца 5 камеры 1 сгорания. Обе конфигурации обеспечивают нелинейное изменение потока охлаждающей текучей среды в процессе расширения внутреннего корпуса 2.

Подводя итог, камера 1 сгорания изобретения, особенно предоставление и местоположение охлаждающего отверстия 11, повышают эффективность камеры сгорания по причине того, что она предоставляет поток охлаждающей текучей среды, который приспосабливается к температуре внутреннего корпуса 2. Это означает, что охлаждающий поток является низким в случае низкой температуры внутреннего корпуса 2, и охлаждающий поток увеличивается, когда температура внутреннего корпуса 2 повышается.

Камера сгорания содержит внутренний корпус с поверхностью скольжения и наружный корпус с участком скольжения стенки и, по меньшей мере, одно охлаждающее отверстие на участке скольжения стенки. Поверхность скольжения и участок скольжения стенки прикреплены друг к другу с возможностью скольжения. Охлаждающее отверстие, по меньшей мере, частично расположено на участке скольжения стенки таким образом, что оно открывается вследствие скользящего движения поверхности скольжения по отношению к участку скольжения стенки, когда внутренний корпус термически расширяется, и/или закрывается вследствие скользящего движения поверхности скольжения относительно участка скольжения стенки, когда внутренний корпус термически сужается. Изобретение направлено на улучшение охлаждения камеры сгорания. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Камера (1) сгорания, содержащая внутренний корпус (2) с поверхностью скольжения (23) и наружный корпус (3) с участком (21) скольжения стенки, причем поверхность (23) скольжения и участок (21) скольжения стенки прикреплены друг к другу с возможностью скольжения, и, по меньшей мере, одно охлаждающее отверстие (11) на участке (21) скольжения стенки, причем охлаждающее отверстие (11), по меньшей мере, частично расположено на участке (21) скольжения стенки таким образом, что оно открывается вследствие скользящего движения поверхности (23) скольжения по отношению к участку (21) скольжения стенки, когда внутренний корпус (2) термически расширяется, и/или закрывается вследствие скользящего движения поверхности (23) скольжения относительно участка (21) скольжения стенки, когда внутренний корпус (2) термически сужается.

2. Камера (1) сгорания по п.1, отличающаяся тем, что охлаждающее отверстие (11) имеет круглое, треугольное, прямоугольное или трапециевидное поперечное сечение.

3. Камера (1) сгорания по п.1 или 2, отличающаяся тем, что камера (1) сгорания содержит предкамерную область (4), и поверхность (23) скольжения и участок (21) скольжения стенки расположены в наружном корпусе (3) предкамерной области (4).

4. Камера (1) сгорания по п.1 или 2, отличающаяся тем, что камера (1) сгорания содержит выходной конец (5), где внутренний корпус (2) и наружный корпус (3) соединены вместе.

5. Камера (1) сгорания по п.1 или 2, отличающаяся тем, что внутренний корпус (2) содержит, по меньшей мере, одну прокладку между наружным корпусом (3), а поверхность (23) скольжения является поверхностью прокладки, которая обращена в сторону наружного корпуса (3).

6. Камера (1) сгорания по п.5, отличающаяся тем, что прокладка является установочным кольцом (8).

7. Газовая турбина, содержащая камеру (1) сгорания, по любому из пп.1-6.