ОПОРНОЕ КОЛЬЦО ДЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ЭКРАНА ЖАРОВОЙ ТРУБЫ И СИСТЕМА КАМЕРЫ СГОРАНИЯ С ПОДОБНОГО РОДА ОПОРНЫМ КОЛЬЦОМ Российский патент 2013 года по МПК F23R3/60 

2420-167647RU/022

ОПОРНОЕ КОЛЬЦО ДЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ЭКРАНА ЖАРОВОЙ ТРУБЫ И СИСТЕМА КАМЕРЫ СГОРАНИЯ С ПОДОБНОГО РОДА ОПОРНЫМ КОЛЬЦОМ

Настоящее изобретение относится к опорному кольцу для элементов теплозащитного экрана жаровой трубы, в частности жаровой трубы газовой турбины. Наряду с этим изобретение касается системы камеры сгорания с жаровой трубой и смесительной камерой, как она находит свое применение, в частности, в газовых турбинах.

Опорные кольца для элементов теплозащитного экрана, как они применяются, в частности, в жаровых трубах газовых турбин, могут иметь проходящий на своей внешней стороне паз, который служит в качестве каналов для охлаждающего воздуха. Фрагмент опорного кольца согласно уровню техники представлен на фиг.1, причем опорное кольцо принято зубчатым венцом смесительной камеры. Эта фигура показывает фрагмент опорного кольца 1, а также фрагмент зубца 3 смесительной камеры в схематичном виде поперечного сечения. Опорное кольцо имеет усиленную область 5, которая, в свою очередь, снабжена внутренним пазом 7 и внешним пазом 9, которые проходят вдвоем по всему периметру опорного кольца. Внешний паз 9 и внутренний паз 7 соединены друг с другом по текучей среде через радиальные сквозные отверстия 11. Внешний паз 9 образует подвод свежего воздуха для охлаждения опорного кольца 1. Свежий воздух затем направляется дальше через отверстия 11 во внутреннее пространство камеры сгорания. Кроме того, усиленная область 5 образует выступающий во внутреннее пространство камеры сгорания фланцеобразный выступ, который образует опору для элементов теплозащитного экрана.

Имеющиеся во время эксплуатации газовой турбины температуры вследствие различных коэффициентов термического расширения опорного кольца 1 и зубцов 3 приводят к тому, что зубцы 3 во время эксплуатации газовой турбины притираются (врезаются) в опорное кольцо 1. Результат притирания (врезания) представлен на фиг.2. Вследствие снятия материала в зубцах образуются выступы 13, которые входят во внешний паз 9 опорного кольца 1. Если теперь газовая турбина отключается, то опорное кольцо 1 и зубцы 3 вследствие различных коэффициентов термического расширения по-разному сжимаются, так что опорное кольцо 1 прикладывает силу F_F1 к зубцам 3, в то время как зубцы 3 прикладывают силу F_Mi к опорному кольцу. Эти силы приводят к тому, что опорное кольцо 1 и зубцы входят друг в друга по типу крюка, причем в процессе охлаждения возникают чрезмерные силы, которые могут вызывать отягчающие последствия, если зубцы 3 или опорное кольцо не будут своевременно исправлены или заменены. Следовательно, осуществляются регулярные осмотры (инспекции) перехода между смесительной камерой и жаровой трубой, причем временные интервалы между двумя осмотрами (инспекциями) определяются описанным процессом притирки.

Задача настоящего изобретения состоит в предоставлении предпочтительного опорного кольца и предпочтительной системы камеры сгорания, которые, в частности, позволяют увеличить интервалы между техническим обслуживанием для перехода между жаровой трубой и смесительной камерой.

Эта задача решается посредством опорного кольца для элементов теплозащитного экрана жаровой трубы по пункту 1 формулы изобретения и посредством системы камеры сгорания с жаровой трубой и смесительным корпусом по пункту 7 формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения раскрывают предпочтительные варианты осуществления изобретения.

Во внешней стороне соответствующего изобретению кольца для элементов теплозащитного экрана жаровой трубы, в частности, жаровой трубы газовой турбины, имеется, по меньшей мере, один паз. Этот паз имеет проходящую наклонно относительно радиального направления опорного кольца стенку паза. Подходящие углы между опущенными на поверхность перпендикулярами наклонно проходящей стенки паза и радиальным направлением опорного кольца лежат, в частности, в диапазоне между 30° и 60°.

Наклонно проходящая стенка паза в случае притирания (врезания) зубчатого венца смесительной камеры в опорное кольцо приводит к тому, что в зубцах образуется клинообразный выступ. Он имеет соответствующую наклонной стенке клинообразную поверхность. Если теперь при отключении газовой турбины вследствие различных степеней термического расширения смесительной камеры и опорного кольца возникают действующие в аксиальном направлении опорного кольца силы, то наклон приводит к тому, что генерируются действующие в радиальном направлении опорного кольца силы, которые отделяют зубцы от опорного кольца. Вследствие этого предотвращается, в частности, отрывание зубцов ввиду действия слишком высоких сил в аксиальном направлении опорного кольца.

В области паза могут находиться, в частности, сквозные отверстия, которые проходят от внешней стороны опорного кольца к его внутренней стороне и служат в качестве отверстия для охлаждающего воздуха для охлаждения опорного кольца, а также в качестве отвода введенного через паз охлаждающего воздуха. Чтобы избежать того, что подвод свежего воздуха через паз прерывается, когда зубцы глубоко врезаются в паз опорного кольца, противолежащая наклонной стенке паза стенка паза имеет неплоскую геометрию. В частности, она может образовывать искривленную в аксиальном направлении опорного кольца поверхность.

Чтобы предотвратить потери материала на внешней стороне опорного кольца при врезании (притирании) и вследствие этого замедлить процесс врезания, его внешняя сторона может иметь бронирование, то есть прочный на истирание слой (наплавку твердого материала, износостойкий слой).

Соответствующая изобретению система камеры сгорания имеет жаровую трубу и смесительную камеру. Она может находить применения, в частности, в газовых турбинах. Жаровая труба имеет выходную сторону с опорным кольцом для элементов теплозащитного экрана, в частности, для керамических элементов теплозащитного экрана. Смесительная камера имеет край с выступающими зубцами, причем зубцы образуют приемный участок для приема опорного кольца. В соответствующей изобретению системе камеры сгорания опорное кольцо образовано в виде соответствующего изобретению опорного кольца. Следовательно, описанные относительно соответствующего изобретению опорного кольца результаты и преимущества имеются, в частности, также с соответствующей изобретению камере сгорания, вследствие чего можно сослаться на описание результатов и преимуществ опорного кольца.

Чтобы замедлить врезание, наряду с внешней стороной опорного кольца также и внутренние стороны зубцов имеют бронирование. В частности, бронирование этих зубцов может быть более твердым, чем бронирование опорного кольца. Разумеется, бронирование также может быть одинаковым или бронирование опорного кольца может быть более твердым, чем бронирование зубцов. Однако, предпочтительно бронирование зубцов более твердое, чем бронирование опорного кольца, так как ремонт и замена опорного кольца по сравнению с ремонтом или заменой зубцов связано с меньшими затратами. Кроме того, срыв зубцов в случае одинакового бронирования более вероятен, чем повреждение опорного кольца и имеет для газовой турбины критические последствия. Следовательно, за счет подходящего выбора твердости бронирования также возможно управлять распределением износа на опорном кольце и зубцах.

Другие признаки, свойства и преимущества изобретения следуют из приведенного ниже описания примеров осуществления со ссылками на прилагаемые фигуры.

Фиг.1 показывает фрагмент опорного кольца в области зубчатого венца согласно уровню техники.

Фиг.2 показывает фрагмент из фиг.1 после обусловленного эксплуатацией врезания зубчатого венца в опорное кольцо.

Фиг.3 показывает соответствующую изобретению систему камеры сгорания с жаровой трубой и смесительной камерой в схематичном представлении.

Фиг.4 показывает фрагмент перехода между жаровой трубой и смесительной камерой на увеличенном виде в разрезе.

Фиг.5 показывает разрез вдоль линии V-V на фиг.4.

Фиг.6 показывает опорное кольцо и зубцы смесительной камеры после обусловленного эксплуатацией врезания.

Фиг.7 показывает диаграмму с возникающими при охлаждении системы камеры сгорания усилиями.

Соответствующая изобретению система камеры сгорания, которая имеет соответствующее изобретению опорное кольцо для элементов теплозащитного экрана, также называемое как опорное кольцо, в дальнейшем описывается со ссылками на фиг. 3-7. Данный пример осуществления показывает систему камеры сгорания, в которой вертикально расположена жаровая труба, то есть аксиальное направление жаровой трубы проходит в вертикальном направлении. Соответственно, радиальные направления жаровой трубы представляют собой горизонтальные направления. Выходящий в вертикальном направлении из жаровой трубы горячий газ отклоняется от смесительной камеры в горизонтальное направление потока.

Фиг.3 показывает на виде в разрезе систему камеры сгорания, которая имеет жаровую трубу 101 с концом 103 для горелки, на котором расположена горелка (не представлена), и с выходным концом 105, из которого выходят возникающие в камере сгорания горячие газы. Жаровая труба 101 введена своим выходным концом 105 в приемный элемент 109 смесительной камеры 107. Смесительная камера направляет дальше выходящие из жаровой трубы 101 горячие газы к турбине (не представлена).

Внутреннее пространство жаровой трубы 101 снабжено керамическими элементами теплозащитного экрана, также называемыми как камни теплозащитного экрана, для того чтобы защитить стенку камеры сгорания от корродирующего горячего газа. На выходном конце жаровой трубы 101 расположено удерживающее камни 111 теплозащитного экрана опорное кольцо 113 камней, существенная часть которого находится в приемном элементе 109 смесительной камеры 107. Приемный участок 109 и опорное кольцо 113 камней представлено на фиг.4 в виде увеличенного фрагмента.

Опорное кольцо 113 камней имеет внешнюю сторону 115 и внутреннюю сторону 117. Как во внешней стороне 115, так и во внутренней стороне 117 имеются пазы 119, 121, которые проходят по всей периферии опорного кольца 113 камней. Кроме того, внешняя сторона опорного кольца 113 камней снабжена уменьшающим износ бронированием 129. С регулярными интервалами по периферии опорного кольца 113 камней распределены сквозные отверстия 123, которые соединяют по потоку паз 119 во внешней стороне 117 (в дальнейшем называется как внешний паз 119) с выполненным во внутренней стороне 117 пазом 121 (в дальнейшем называется как внутренний паз 121). Внешний паз 119 служит в качестве канала для охлаждающего воздуха, который позволяет распределение холодного воздуха вокруг опорного кольца 113. В таком случае охлаждающий воздух может попадать из внешнего паза 119 через сквозные отверстия 123 во внутренний паз 121 и оттуда во внутреннее пространство камеры сгорания. Внешний паз 117 и внутренний паз 121 расположены в фланцеобразном выступе 122, который выступает в радиальном направлении к внутреннему пространству камеры сгорания. Верхняя сторона 124 выступа 122 образует опорную поверхность для самого нижнего ряда элементов 11 теплозащитного экрана (см. фиг.3).

Внешний паз 119 опорного кольца 113 камней имеет наклонную относительно радиального направления опорного кольца 113 камней стенку 125 паза. Нормаль к поверхности наклонной стенки 125 паза составляет с радиальным направлением опорного кольца 113 угол между 30° и 60°. В настоящем примере угол составляет примерно 40°. Противолежащая наклонной стенке 125 паза стенка 127 паза имеет не плоскую геометрию и в настоящем примере осуществления искривлена в аксиальном направлении опорного кольца 113.

Разрез опорного кольца 113 камней вдоль линии V-V на фиг.4 представлен на фиг.5. На ней можно видеть, что сквозные отверстия 123 проходят не в радиальном направлении опорного кольца 113, а наклонены в окружном направлении и образуют с радиальным направлением угол приблизительно 60°.

Опорное кольцо 113 камней жаровой трубы 101 вдвинуто в приемный участок 109 смесительной камеры 107. Этот приемный участок 109 образуется зубцами 133, которые выполнены в стенке 131 смесительной камеры. При этом зубцы 133 образованы стеновым участком смесительной камеры, через который проходят распределенные в окружном направлении вокруг смесительной камеры выемки или выточки. Эти выемки или, соответственно, выточки проходят от края окружной стенки, исходя по существу в аксиальном направлении фланца, в окружную стенку. За счет этого приемный участок 109 относительно не снабженного выемками или, соответственно, выточками стенового участка смесительной камеры 107 имеет увеличенную гибкость, так что возникающие между смесительной камерой 107 и жаровой трубой 101 усилия могут компенсироваться до определенной степени.

Внутренние стороны 135 зубцов 133 являются плоскими и снабжены бронированием 137. В данном примере осуществления бронирование 137 зубцов является более твердым, чем бронирование 129 внешней стороны 135 опорного кольца 113 камней, так что появляющийся при эксплуатации износ, который возникает вследствие трения опорного кольца 113 камней о внутреннюю сторону зубцов 133, концентрируется большей частью на опорном кольце 113 камней.

Фиг.6 показывает фрагмент опорного кольца 113 камней и приемного участка 109, когда система камеры сгорания достигла определенного срока эксплуатации. Во время эксплуатации зубчатый венец смесительной камеры 107 врезается (притирается) в опорное кольцо 113 жаровой трубы 101, если не проводилось никакого предварительного осмотра и замены или, соответственно, ремонта. Это состояние представлено на фиг.6. Вследствие врезания в зубцах возникает выступ 139, который выступает во внешний паз 119, то есть в канал для охлаждающего воздуха. Этот выступ имеет обусловленную износом в значительной мере параллельную наклонной стенке 125 паза наклонную сторону 141.

Когда жаровая труба 101 и смесительная камера 107 после выключения газовой турбины охлаждается, между расположенной под углом стороной 141 выступа и наклонной стенкой 125 паза опорного кольца 113 возникают действующие в аксиальном направлении усилия F_Mi и F_Fl, которые получаются из результирующего при охлаждении аксиального относительного движения обоих конструктивных элементов. Посредством возникающей при врезании вследствие расположенной под углом стенки 125 паза клиновидной формы выступов 138 создается (горизонтально) противоположно действующее между опорным кольцом 113 камней и зубцами 133 усилие, которое отжимает эти конструктивные элементы друг от друга и таким образом отделяет их друг от друга. За счет этого устраняется износ зубцов вследствие слишком высокого аксиального усилия. Таким образом, наклонная стенка 125 паза и возникающая при врезании наклонная сторона 141 в вырезах 139 зубцов приводят к расположенной под углом относительно радиального направления и аксиального направления обоих конструктивных элементов контактной поверхности, которая использует или, соответственно, преобразует генерируемые вследствие движения конструктивных элементов при температурных изменениях усилия таким образом, что конструктивные элементы автоматически расцепляются друг от друга, то есть смещаются друг от друга, и возникающие усилия не приводят ни к каким косвенным убыткам, как, например, срыв зубцов, деформация или т.п. Силовая диаграмма, которая показывает вызванное переменным движением усилие F_перем и оказанное на жаровую трубу результирующее усилия F_рез.Fl, а также получающееся на смесительной камере усилие F_рез.Mi, представлена на фиг.7.

Кроме того, изогнутая сторона 127 внешнего паза 119 в опорном кольце 113 камней приводит к тому, что даже при значительном износе и связанном с этим глубоким врезанием зубцов 133 во внешний паз 119 опорного кольца 113 камней всегда имеется достаточно большой канал для охлаждающего воздуха для опорного кольца камней. Таким образом, может устраняться перекрывание канала для охлаждающего воздуха.

Хотя перекрывание канала для охлаждающего воздуха в настоящем примере осуществления устраняется за счет того, что изогнута противолежащая наклонной стенке 125 паза стенка 127 паза, другие неплоские геометрии этой стенки паза также могут приводить к тому же самому результату. Соответственно, стенка паза может быть выполнена крышеобразной, то есть с двумя сходящимися друг с другом под углом плоскими стеновыми участками. В простейшем случае это может реализовываться за счет приведения прямоугольного в поперечном сечении паза в угловое расположение относительно радиального направления опорного кольца 113 камней в их внешней стороне 115. При этом угол, который образует паз с радиальным направлением, лежит предпочтительно в диапазоне между 30° и 60°. Чтобы исключить перекрывание канала для охлаждающего воздуха посредством более глубокой приработки зубцов (заданно посредством более длительной эксплуатации), они могут вводиться на высоту максимально приработанного зубца в опорное кольцо.

Итак, согласно изобретению опорное кольцо камней в области паза (питания охлаждающим воздухом) снабжается скосом (например, 40°, однако подъем может варьироваться и выбираться в зависимости от эксплуатации), который при охлаждении конструктивных элементов приводит к принудительному разжиманию смесительной камеры и опорного кольца камней. Посредством формирования "клина" создается противоположное усилие (горизонтально) на опорное кольцо и смесительную камеру, которое "разделяет" конструктивные элементы друг с другом. За счет этого срыв зубцов вследствие слишком высокого вертикального усилия устраняется.

Система камеры сгорания содержит жаровую трубу и смесительную камеру. Жаровая труба имеет выходной конец с опорным кольцом для элементов теплозащитного экрана. Смесительная камера имеет край с выступающими зубцами. Зубцы образуют приемный участок для приема опорного кольца. Во внешней стороне опорного кольца имеется, по меньшей мере, один паз. Паз имеет проходящую наклонно относительно радиального направления опорного кольца стенку паза. Изобретение позволяет увеличить интервалы между техническим обслуживанием для перехода между жаровой трубой и смесительной камерой. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Опорное кольцо (113) для элементов (111) теплозащитного экрана жаровой трубы (101), причем во внешней стороне (115) опорного кольца имеется, по меньшей мере, один паз (119), отличающееся тем, что паз (119) имеет проходящую наклонно относительно радиального направления опорного кольца (113) стенку (125) паза.

2. Опорное кольцо (113) по п.1, отличающееся тем, что нормаль к поверхности наклонно проходящей стенки (125) паза имеет угол относительно радиального направления опорного кольца (113) в диапазоне между 30° и 60°.

3. Опорное кольцо (113) по п.1 или 2, отличающееся тем, что в области паза (125) находятся сквозные отверстия (123), которые проходят от внешней стороны (115) опорного кольца (113) к его внутренней стороне (117).

4. Опорное кольцо (113) по п.3, отличающееся тем, что противолежащая наклонной стенке (125) паза стенка (127) паза имеет неплоскую геометрию.

5. Опорное кольцо (113) по п.4, отличающееся тем, что противолежащая наклонной стенке (125) паза наклонная стенка (127) паза образует изогнутую в аксиальном направлении опорного кольца (113) поверхность.

6. Опорное кольцо (113) по п.1, отличающееся тем, что внешняя сторона (115) опорного кольца (113) имеет бронирование.

7. Система камеры сгорания с жаровой трубой (101) и смесительной камерой (107), причем жаровая труба (101) имеет выходной конец (105) с опорным кольцом (113) для элементов (111) теплозащитного экрана, а смесительная камера (107) имеет край с выступающими зубцами (133), причем зубцы (133) образуют приемный участок (109) для приема опорного кольца (113), отличающаяся тем, что опорное кольцо (113) выполнено по одному из пп.1-6.

8. Система камеры сгорания по п.7, отличающаяся тем, что внутренние стороны (135) зубцов (133) и/или внешняя сторона (115) опорного кольца (113) соответственно имеют или соответственно имеет бронирование.

9. Система камеры сгорания по п.8, отличающаяся тем, что бронирование зубцов (133) является более твердым, чем бронирование опорного кольца (113).