СИСТЕМА РЕЦИРКУЛЯЦИИ ВОЗДУХА ОБОЛОЧКИ КАМЕР СГОРАНИЯ В ГАЗОТУРБИННОМ ДВИГАТЕЛЕ Российский патент 2016 года по МПК F01D25/14 F01D21/00 F02C6/08 F02C7/18 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к системе рециркуляции воздуха оболочки камер сгорания в газотурбинном двигателе, при этом система рециркуляции выполнена с возможностью функционирования во время работы при нагрузке, меньшей, чем полная нагрузка, для создания более равномерного распределения температур воздуха в оболочке камер сгорания.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Во время работы газотурбинного двигателя давление воздуха повышается в компрессорной секции, затем воздух смешивается с топливом и сжигается в секции сжигания для образования горячих газообразных продуктов сгорания. В газотурбинном двигателе с расположенными по кольцу трубчатыми камерами сгорания секция сжигания содержит упорядоченный ряд расположенных по кольцу устройств для сжигания, иногда называемых «жаровыми трубами» или «камерами сгорания», каждое из которых обеспечивает подачу горячих газообразных продуктов сгорания в турбинную секцию двигателя, в которой горячие газообразные продукты сгорания расширяются для выделения энергии из них для получения выходной мощности, которая, в свою очередь, используется для выработки электричества.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с настоящим изобретением разработан газотурбинный двигатель, имеющий продольную ось, определяющую аксиальное направление двигателя. Двигатель содержит компрессорную секцию, в которой воздух, втягиваемый в двигатель, сжимается, секцию сжигания, содержащую множество устройств для сжигания, в которых топливо смешивается с, по меньшей мере, частью сжатого воздуха из компрессорной секции и сжигается для образования горячих газообразных продуктов сгорания, и турбинную секцию, в которой горячие газообразные продукты сгорания из секции сжигания расширяются для выделения энергии из них. Двигатель дополнительно содержит кожух, имеющий часть, расположенную вокруг секции сжигания, при этом данная часть кожуха содержит стенку кожуха, которая имеет верхнюю часть стенки, образующую верхнюю мертвую точку, левую и правую боковые части стенки и нижнюю часть стенки, образующую нижнюю мертвую точку. Данная часть кожуха дополнительно ограничивает внутренний объем, в котором находятся устройства для сжигания и воздух, сжатый посредством компрессорной секции. Двигатель дополнительно содержит систему рециркуляции воздуха оболочки.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения система рециркуляции воздуха оболочки содержит, по меньшей мере, один выпускной элемент, расположенный у нижней части стенки, представляющей собой стенку кожуха, и первый и второй впускные элементы, расположенные у верхней части стенки, представляющей собой стенку кожуха. Данные впускные элементы расположены на определенном расстоянии друг от друга по окружности и по существу в одном и том же месте в аксиальном направлении. Система рециркуляции воздуха оболочки дополнительно содержит систему трубопроводов, которая обеспечивает сообщение по текучей среде между данным, по меньшей мере, одним выпускным элементом и впускными элементами, воздуходувку, предназначенную для отвода воздуха из внутреннего объема данной части кожуха через данный, по меньшей мере, один выпускной элемент и для перемещения отведенного воздуха к впускным элементам, и клапанную систему, предназначенную для избирательного обеспечения возможности и предотвращения прохода воздуха через систему трубопроводов. Во время первого режима работы двигателя, по меньшей мере, некоторая часть воздуха, находящегося во внутреннем объеме данной части кожуха, вводится в устройства для сжигания данной части воздуха вместе с топливом для образования горячих газообразных продуктов сгорания, и клапанная система по существу предотвращает проход воздуха через систему трубопроводов. Во время второго режима работы двигателя клапанная система обеспечивает возможность прохода воздуха через систему трубопроводов так, что, по меньшей мере, часть воздуха, находящегося во внутреннем объеме данной части кожуха, отводится из данного, по меньшей мере, одного выпускного элемента посредством воздуходувки и перемещается посредством воздуходувки к впускным элементам для вдувания к верхней части стенки, представляющей собой стенку кожуха.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения система рециркуляции воздуха оболочки содержит, по меньшей мере, один выпускной элемент, расположенный у нижней части стенки, представляющей собой стенку кожуха, и, по меньшей мере, один впускной элемент, расположенный у верхней части стенки, представляющей собой стенку кожуха. Система рециркуляции воздуха оболочки дополнительно содержит систему трубопроводов, которая обеспечивает сообщение по текучей среде между данным, по меньшей мере, одним выпускным элементом и данным, по меньшей мере, одним впускным элементом, воздуходувку, предназначенную для отвода воздуха из внутреннего объема данной части кожуха через данный, по меньшей мере, один выпускной элемент и для перемещения отведенного воздуха к данному, по меньшей мере, одному впускному элементу, и клапанную систему, предназначенную для избирательного обеспечения возможности и предотвращения прохода воздуха через систему трубопроводов. Во время первого режима работы двигателя, по меньшей мере, некоторая часть воздуха, находящегося во внутреннем объеме данной части кожуха, вводится в устройства для сжигания данной части воздуха вместе с топливом для образования горячих газообразных продуктов сгорания, и клапанная система по существу предотвращает проход воздуха через систему трубопроводов. Во время второго режима работы двигателя клапанная система обеспечивает возможность прохода воздуха через систему трубопроводов так, что, по меньшей мере, часть воздуха, находящегося во внутреннем объеме данной части кожуха, отводится из данного, по меньшей мере, одного выпускного элемента посредством воздуходувки и перемещается посредством воздуходувки к данному, по меньшей мере, одному впускному элементу. Данный, по меньшей мере, один впускной элемент выполнен с такой конфигурацией, что воздух, вдуваемый посредством него, проходит от верхней части стенки, представляющей собой стенку кожуха, вниз вдоль левой и правой боковых частей стенки, представляющей собой стенку кожуха, к нижней части стенки, представляющей собой стенку кожуха.

В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения секция сжигания представляет собой секцию сжигания с трубчатыми расположенными по кольцу камерами сгорания, содержащую упорядоченный ряд расположенных по кольцу устройств для сжигания. Система рециркуляции воздуха оболочки в соответствии с данным вариантом осуществления содержит, по меньшей мере, один выпускной элемент, расположенный у нижней части стенки, представляющей собой стенку кожуха, и, по меньшей мере, один впускной элемент, расположенный у верхней части стенки, представляющей собой стенку кожуха. По меньшей мере, один из данных выпускного и впускного элементов также функционирует в качестве трубы для добавления пара, предназначенной для ввода пара высокого давления во внутренний объем данной части кожуха во время первого режима работы. Система рециркуляции воздуха оболочки дополнительно содержит систему трубопроводов, которая обеспечивает сообщение по текучей среде между данным, по меньшей мере, одним выпускным элементом и данным, по меньшей мере, одним впускным элементом, воздуходувку, предназначенную для отвода воздуха из внутреннего объема данной части кожуха через данный, по меньшей мере, один выпускной элемент и для перемещения отведенного воздуха к данному, по меньшей мере, одному впускному элементу, и клапанную систему, предназначенную для избирательного обеспечения возможности и предотвращения прохода воздуха через систему трубопроводов. Во время первого режима работы двигателя, по меньшей мере, некоторая часть воздуха, находящегося во внутреннем объеме данной части кожуха, вводится в устройства для сжигания данной части воздуха вместе с топливом для образования горячих газообразных продуктов сгорания, и клапанная система по существу предотвращает проход воздуха через систему трубопроводов. Во время второго режима работы двигателя клапанная система обеспечивает возможность прохода воздуха через систему трубопроводов так, что, по меньшей мере, часть воздуха, находящегося во внутреннем объеме данной части кожуха, отводится из данного, по меньшей мере, одного выпускного элемента посредством воздуходувки и перемещается посредством воздуходувки к данному, по меньшей мере, одному впускному элементу для вдувания к верхней части стенки кожуха.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Несмотря на то, что описание завершается формулой изобретения, конкретно указывающей на настоящее изобретение и четко описывающей настоящее изобретение, полагают, что настоящее изобретение будет лучше понято из нижеприведенного описания в сочетании с сопровождающими чертежами, на которых аналогичные ссылочные позиции обозначают аналогичные элементы и где:

фиг. 1 представляет собой выполненный с частичным разрезом вид сбоку газотурбинного двигателя, включающего в себя систему рециркуляции воздуха оболочки камер сгорания в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;

фиг. 2 представляет собой схематическую иллюстрацию системы рециркуляции воздуха оболочки камер сгорания, проиллюстрированной на фиг.1; и

фиг. 3 представляет собой сечение части системы рециркуляции воздуха оболочки камер сгорания в соответствии с другим аспектом изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В нижеприведенном подробном описании предпочтительных вариантов осуществления сделана ссылка на сопровождающие чертежи, которые образуют часть данного описания и в которых в качестве иллюстрации, а не в качестве ограничения, показаны определенные предпочтительные варианты осуществления, в которых изобретение может быть реализовано на практике. Следует понимать, что могут быть использованы другие варианты осуществления и что могут быть выполнены изменения без отхода от сущности и объема настоящего изобретения.

На фиг. 1 показан газотурбинный двигатель 10, выполненный с конструкцией в соответствии с настоящим изобретением. Двигатель 10 включает в себя компрессорную секцию 12, секцию 14 сжигания, включающую в себя множество камер 16 сгорания, также называемых в данном документе «устройствами для сжигания», и турбинную секцию 18. Следует отметить, что на фиг. 1 для ясности проиллюстрирована только одна камера 16 сгорания, но двигатель 10 в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно содержит упорядоченный ряд расположенных по кольцу камер 16 сгорания, которые расположены вокруг продольной оси L_A двигателя 10, которая определяет аксиальное направление в двигателе 10. Подобную конфигурацию обычно называют «системой трубчатых расположенных по кольцу камер сгорания».

Компрессорная секция 12 обеспечивает всасывание и повышение давления входящего воздуха, по меньшей мере, часть которого направляется в оболочку 20 камер сгорания для подачи в камеры 16 сгорания. Воздух, находящийся в оболочке 20 камер сгорания, в дальнейшем назван «воздухом оболочки». Другие части воздуха по давлением могут быть отведены из секции 12 сжигания для охлаждения различных компонентов в двигателе 10.

При входе в камеры 16 сгорания сжатый воздух из компрессорной секции 12 смешивается с топливом и воспламеняется для образования имеющих высокую температуру газообразных продуктов сгорания, проходящих турбулентно и с высокой скоростью внутри соответствующей камеры 16 сгорания. Газообразные продукты сгорания в каждой камере 16 сгорания затем проходят по соответствующему переходному каналу 22 к турбинной секции 18, в которой газообразные продукты сгорания расширяются для выделения энергии из них. Энергия, выделенная из газообразных продуктов сгорания, используется для обеспечения вращения ротора 24 турбины, который простирается параллельно вращающемуся валу 26, который проходит в аксиальном направлении через двигатель 10.

Как показано на фиг. 1, кожух 30 двигателя предусмотрен для ограждения соответствующих секций 12, 14, 18 двигателя. Часть 30А кожуха 30, расположенная вокруг секции 14 сжигания, содержит стенку 32 кожуха, которая определяет границы оболочки 20 камер сгорания, то есть оболочка 20 камер сгорания образует внутренний объем внутри части 30А кожуха. Как показано на фиг. 2, стенка 32 кожуха включает в себя верхнюю часть 32А стенки, левую и правую боковые части 32В, 32С стенки и нижнюю часть 32D стенки. Верхняя часть 32А стенки образует верхнюю мертвую точку 34 стенки 32 кожуха, которая представляет собой самую верхнюю зону части 30А кожуха, и нижняя часть 32D стенки образует нижнюю мертвую точку 36 стенки 32 кожуха, которая представляет собой самую нижнюю зону части 30А кожуха.

Далее будет описана система 40 рециркуляции воздуха оболочки в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения. Как показано на фиг. 2, система 40 рециркуляции воздуха оболочки в показанном варианте осуществления содержит первый и второй выпускные элементы 42А, 42В, расположенные у нижней части 32D стенки, представляющей собой стенку 32 кожуха. Несмотря на то, что система 40 рециркуляции воздуха оболочки в соответствии с данным вариантом осуществления содержит первый и второй выпускные элементы 42А, 42В, может быть предусмотрено любое подходящее количество выпускных элементов, включая один выпускной элемент.

Как показано на фиг. 2, выпускные элементы 42А, 42В расположены на определенном расстоянии друг от друга по окружности и расположены по существу в одном и том же месте в аксиальном направлении, при этом нижняя мертвая точка 36 стенки 32 кожуха расположена между выпускными элементами 42А, 42В. В соответствии с одним аспектом изобретения, по меньшей мере, один из выпускных элементов 42А, 42В может также функционировать в качестве трубы для добавления пара, предназначенной для направления пара высокого давления в оболочку 20 камер сгорания для обеспечения увеличения выходной мощности двигателя 10, а именно посредством обеспечения более высоких скоростей прохода газообразных продуктов сгорания через турбинную секцию 18.

Система 40 рециркуляции воздуха оболочки дополнительно содержит систему 44 трубопроводов, которая предусмотрена для перемещения воздуха оболочки, который отводится из оболочки 20 камер сгорания через выпускные элементы 42А, 42В, к первому и второму впускным элементам 46А, 46В, которые расположены у верхней части 32А стенки, представляющей собой стенку 32 кожуха. Несмотря на то, что система 40 рециркуляции воздуха оболочки в соответствии с данным вариантом осуществления содержит первый и второй впускные элементы 46А, 46В, может быть предусмотрено любое подходящее количество впускных элементов, включая один впускной элемент.

Как показано на фиг. 2, впускные элементы 46А, 46В расположены на определенном расстоянии друг от друга по окружности и расположены по существу в одном и том же месте в аксиальном направлении, при этом первый впускной элемент 46А расположен рядом с левой боковой частью 32В стенки, представляющей собой стенку 32 кожуха, и второй впускной элемент 46В расположен рядом с правой боковой частью 32С стенки, представляющей собой стенку 32 кожуха. В соответствии с одним аспектом изобретения, по меньшей мере, один из впускных элементов 46А, 46В может также функционировать в качестве трубы для добавления пара, предназначенной для направления пара высокого давления в оболочку 20 камер сгорания.

Система 40 рециркуляции воздуха оболочки дополнительно содержит еще клапанную систему 48, содержащую первый и второй клапаны 48А, 48В в показанном варианте осуществления, и воздуходувку 50. Управляющее устройство 52 осуществляет управление клапанной системой 48 и воздуходувкой 50 для избирательного обеспечения возможности или предотвращения прохода воздуха оболочки через систему 44 трубопроводов из выпускных элементов 42А, 42В к впускным элементам 46А, 46В, как будет подробно описано ниже. Воздуходувка 50 предусмотрена для отвода воздуха оболочки из оболочки 20 камер сгорания через выпускные элементы 42А, 42В и для перемещения отведенного воздуха оболочки к впускным элементам 46А, 46В, когда клапанная система 48 открыта.

Далее будет описан способ использования системы 40 рециркуляции воздуха оболочки. Во время нормальной работы двигателя 10, также известной как работа при полной нагрузке или базисный режим работы и также называемой в данном документе первым режимом работы двигателя, первый и второй клапаны 48А, 48В закрыты, и воздуходувка 50 выключена или не функционирует по другой причине. Следовательно, клапанная система 48 по существу предотвращает прохождение воздуха оболочки через систему 44 трубопроводов. По меньшей мере, часть воздуха оболочки подается в камеры 16 сгорания для сжигания данной части воздуха вместе с топливом, как рассмотрено выше. Дополнительные части воздуха оболочки могут быть использованы для охлаждения различных компонентов в двигателе 10, как будет очевидно для специалистов в данной области техники.

При инициировании операции перехода к работе при неполной нагрузке, которая выполняется для обеспечения перевода двигателя 10 в выключенное состояние или состояние проворачивания, постепенно прекращается подача топлива и воздуха оболочки в камеры 16 сгорания, так что образование имеющих высокую температуру, газообразных продуктов сгорания в камерах 16 сгорания постепенно уменьшается до нуля при переводе двигателя 10 к выключенному состоянию или состоянию проворачивания. Когда газообразные продукты сгорания больше не образуются в камерах 16 сгорания, невозможно будет осуществить вращение ротора 24 турбины за счет газообразных продуктов сгорания. В такой ситуации медленное вращение ротора 24 турбины может быть осуществлено за счет подвода энергии от внешнего источника (не показано), например, за счет пускового двигателя, в рабочем состоянии, называемом в данном документе состоянием проворачивания. В альтернативном варианте вращение ротора 24 турбины может быть полностью остановлено в рабочем состоянии, называемом в данном документе выключенным состоянием. В типовом двигателе 10 подобная операция перехода к работе при неполной нагрузке может занимать, по меньшей мере, приблизительно 10-15 минут для полного перевода двигателя 10 в состояние проворачивания, при этом в течение данного времени сжигание при постепенно снижающемся уровне продолжается в камерах 16 сгорания для образования имеющих высокую температуру, газообразных продуктов сгорания, которые перемещаются в турбинную секцию 18 для обеспечения вращения ротора 24 турбины. Подразумевается, что второй режим работы двигателя в используемом в данном документе смысле охватывает операцию перехода к работе при неполной нагрузке, состояние проворачивания или выключенное состояние двигателя 10.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения при инициировании операции перехода к работе при неполной нагрузке для перевода двигателя 10 или в состояние проворачивания, или в выключенное состояние управляющее устройство 52 обеспечивает открытие первого и второго клапанов 48А, 48В так, что клапанная система 48 обеспечивает возможность прохода воздуха через систему 44 трубопроводов. Управляющее устройство 52 обеспечивает включение воздуходувки 50 во время второго режима работы для отвода воздуха оболочки от нижней части 32D стенки, представляющей собой стенку 32 кожуха, через выпускные элементы 42А, 42В. Воздуходувка 50 обеспечивает перемещение, то есть нагнетание отводимого воздуха оболочки через систему 44 трубопроводов так, что отведенный воздух оболочки вдувается к верхней части 32А стенки, представляющей собой стенку 32 кожуха, через впускные элементы 46А, 46В.

В соответствии с другим аспектом изобретения операция перехода к работе при неполной нагрузке может быть выполнена для обеспечения перехода двигателя 10 от работы при полной нагрузке в состояние проворачивания, которое может выполняться в течение заданного времени или до тех пор, пока один или несколько выбранных компонентов двигателя не достигнут заданной температуры, при этом в данный момент двигатель 10 может быть переведен в выключенное состояние. При данной конфигурации при состоянии проворачивания клапаны 48А, 48В удерживаются в открытых положениях, и работа воздуходувки 50 продолжается для отвода воздуха оболочки от нижней части 32D стенки, представляющей собой стенку 32 кожуха, через выпускные элементы 42А, 42В, для перемещения отведенного воздуха оболочки через систему 44 трубопроводов и для вдувания отведенного воздуха оболочки к верхней части 32А стенки, представляющей собой стенку 32 кожуха, через впускные элементы 46А, 46В. Однако при переходе двигателя 10 в выключенное состояние, то есть после завершения выполнения проворачивания, воздуходувка 50 может быть выключена или заблокирована иным образом для прекращения нагнетания воздуха оболочки через систему 44 трубопроводов. При выключенном состоянии клапаны 48А, 48В могут оставаться открытыми, или управляющее устройство 52 может обеспечить их закрытие, но они будут закрыты управляющим устройством 52 при инициировании процедуры запуска двигателя.

Как показано на фиг. 2, воздух, вдуваемый посредством впускных элементов 46А, 46В в оболочку 20 камер сгорания, проходит от верхней части 32А стенки, представляющей собой стенку 32 кожуха, вниз вдоль соответствующих левой и правой боковых частей 32В, 32С стенки к нижней части 32D стенки. Таким образом, система 40 рециркуляции воздуха оболочки функционирует для обеспечения циркуляции воздуха оболочки в оболочке 20 камер сгорания во время работы при нагрузке, меньшей чем полная нагрузка, для создания более равномерного распределения температур воздуха оболочки в оболочке 20 камер сгорания. В противном случае более горячий воздух оболочки будет стремиться к перемещению к верхней части 32А стенки, что приводит к более высоким температурам у верхней части 32А стенки, чем у нижней части 32D стенки. Кроме того, воздух оболочки у нижней части 32D стенки, который отводится через выпускные элементы 42А, 42В посредством воздуходувки 50 и вдувается через впускные элементы 46А, 46В, как правило, является более холодным, чем воздух оболочки у верхней части 32А стенки, что приводит к еще более равномерному распределению температур воздуха оболочки в пределах оболочки 20 камер сгорания.

Полагают, что более равномерное распределение температур воздуха оболочки в пределах оболочки 20 камер сгорания, обеспечиваемое посредством системы 40 рециркуляции воздуха оболочки, уменьшает остроту проблем или предотвращает проблемы, которые могли бы возникнуть в результате того, что компоненты, находящихся в пределах и вокруг оболочки 20 камер сгорания, подвергаются тепловому расширению с разными скоростями, такие как деформация кожуха 30 двигателя и/или трение вершин Т_Т турбинных лопаток в турбинной секции 18 о кожух 30, в результате чего увеличивается продолжительность эксплуатации данных компонентов и сохраняется жестко ограниченный радиальный зазор между вершинами турбинных лопаток и стенкой кожуха во время работы при полной нагрузке для повышения к.п.д. турбины. Следует отметить, что поскольку система 40 рециркуляции воздуха оболочки в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает вдувание только воздуха оболочки в оболочку 20 камер сгорания и при этом данный воздух оболочки отводится от нижней части 32D стенки через выпускные элементы 42А, 42В посредством воздуходувки 50, уменьшаются стоимость и сложность системы 40 рециркуляции воздуха оболочки, например, по сравнению с системой, в которой используется такой конструктивный элемент, как эжектор, для вдувания воздуха высокого давления в оболочку 20 камер сгорания.

Как отмечено выше, один или несколько из выпускных и впускных элементов 42А, 42В, 46А, 46В могут также функционировать в качестве труб для добавления пара для направления пара высокого давления в оболочку 20 камер сгорания для обеспечения повышения выходной мощности двигателя 10. Подобный ввод пара, как правило, выполняется только во время работы при полной нагрузке. Если какие-либо из выпускных и впускных элементов 42А, 42В, 46А, 46В также функционируют в качестве труб для добавления пара, данные элементы 42А, 42В, 46А, 46В предпочтительно проходят прямолинейно в стенку 32 кожуха и заканчиваются на коротком расстоянии от нее в оболочке 20 камер сгорания, как показано на фиг. 1 и 2. Использование выпускных и впускных элементов 42А, 42В, 46А, 46В в качестве труб для добавления пара может быть особенно предпочтительным, если система 40 рециркуляции воздуха оболочки реализуется в существующем двигателе 10, то есть в модифицированной конструкции, поскольку не потребуются дополнительные трубы, которые проходят через стенку 32 кожуха, в результате чего уменьшается сложность монтажа системы 40 рециркуляции воздуха оболочки в существующем двигателе 10.

Если выпускные и впускные элементы 42А, 42В, 46А, 46В не должны функционировать в качестве труб для добавления пара, один или несколько из данных элементов 42А, 42В, 46А, 46В могут иметь концы с особой конфигурацией для изменения отвода воздуха оболочки из оболочки 20 камер сгорания и/или вдувания воздуха оболочки в оболочку 20 камер сгорания. Например, на фиг.3 показана система 140 рециркуляции воздуха оболочки, выполненная с конструкцией в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, в которой конструктивные элементы, аналогичные конструктивным элементам, описанным выше со ссылкой на фиг. 1 и 2, имеют те же самые ссылочные номера, увеличенные на 100. Кроме того, только конструктивные элементы, которые отличаются от варианта осуществления, рассмотренного выше со ссылкой на фиг. 1 и 2, будут рассмотрены в данном документе для фиг. 3. В качестве исходного пункта вид системы 140 рециркуляции воздуха оболочки, показанной на фиг. 3, выполнен вдоль линии 3-3, проиллюстрированной на фиг. 1, и выбранные компоненты двигателя 110 и системы 140 рециркуляции воздуха оболочки были удалены из фиг. 3 для ясности.

В данном варианте осуществления выпускные элементы 142А, 142В имеют концы 142А₁, 142В₁ конической формы для увеличения количества воздуха оболочки, который может быть отведен посредством них.

Кроме того, впускные элементы 146А, 146В в соответствии с данным вариантом осуществления имеют концы 146А₁, 146В₁, которые имеют наклон в направлении вдоль окружности по направлению друг к другу и также имеют наклон в аксиальном направлении по направлению к компрессорной секции (не показано в данном варианте осуществления) и от турбинной секции (не показано в данном варианте осуществления). Таким образом, впускные элементы 146А, 146В в соответствии с данным вариантом осуществления выполнены с такой конфигурацией, что они обеспечивают вдувание воздуха оболочки по меньшей мере частично в направлении вдоль окружности по направлению друг к другу и к верхней мертвой точке 134 стенки 132 кожуха, которая расположена в направлении вдоль окружности между первым и вторым впускными элементами 146А, 146В, как показано на фиг. 3, то есть воздух оболочки, вдуваемый посредством впускных элементов 146А, 146В, имеет окружную составляющую вектора скорости.

После прохода к верхней мертвой точке 134 стенки 132 кожуха воздух, вдуваемый посредством впускных элементов 146А, 146В, проходит от верхней части 132А стенки, представляющей собой стенку 132 кожуха, вниз вдоль соответствующих левой и правой боковых частей 132В, 132С стенки к нижней части 132D стенки. Поскольку воздух, вдуваемый посредством впускных элементов 146А, 146В, в соответствии с данным вариантом осуществления проходит к верхней мертвой точке 134 стенки 132 кожуха, полагают, что гарантируется то, что воздух оболочки, находящийся у верхней мертвой точки 134 стенки 132 кожуха, который может представлять собой самый горячий воздух оболочки в пределах оболочки 120 камер сгорания, будет подвергаться циркуляции вместе с остальным воздухом оболочки. Кроме того, поскольку воздух оболочки, вдуваемый посредством впускных элементов 146А, 146В, в соответствии с данным вариантом осуществления также проходит в аксиальном направлении к компрессорной секции двигателя 110, то есть воздух оболочки, вдуваемый посредством впускных элементов 146А, 146В, имеет аксиальную составляющую вектора скорости, полагают, что гарантируется то, что большее количество воздуха оболочки в оболочке 120 камер сгорания будет подвергаться циркуляции.

Следует отметить, что выпускные и впускные элементы, описанные в данном документе, могут быть расположены в других местах в аксиальном направлении в данной части кожуха, отличающихся от мест, показанных на фиг. 1-3. Кроме того, несколько рядов выпускных и впускных элементов могут быть использованы для дополнительного улучшения циркуляции воздуха оболочки в оболочке камер сгорания.

Также следует отметить, что в случае использования только одного впускного элемента, то есть в отличие от использования первого и второго впускных элементов в вариантах осуществления, рассмотренных выше, данный единственный впускной элемент может быть выполнен с конфигурацией, обеспечивающей возможность вдувания воздуха вниз вдоль обеих, то есть левой и правой, боковых частей стенки, представляющей собой стенку кожуха. К примерам подобного впускного элемента относится впускной элемент с двумя концами, в котором первый конец направлен к левой боковой части стенки и правый конец направлен к правой боковой части стенки, или впускной элемент может иметь створки или ребра, которые предусмотрены для вдувания воздуха в заданных направлениях. Кроме того, подобный единственный впускной элемент может быть расположен у верхней мертвой точки стенки кожуха для обеспечения более эффективной циркуляции воздуха в оболочке камер сгорания. Кроме того, подобный единственный впускной элемент также может быть выполнен с такой конфигурацией, что воздух оболочки, вдуваемый посредством него, будет иметь аксиальную составляющую вектора скорости.

Несмотря на то, что определенные варианты осуществления настоящего изобретения были проиллюстрированы и описаны, специалистам в данной области техники будет очевидно, что различные другие изменения и модификации могут быть выполнены без отхода от сущности и объема изобретения. Следовательно, предусмотрено, что приложенная формула изобретения охватывает все подобные изменения и модификации, которые находятся в пределах объема данного изобретения.

Газотурбинный двигатель, имеющий продольную ось, определяющую аксиальное направление двигателя, содержит компрессорную секцию, секцию сжигания, содержащую множество устройств для сжигания, турбинную секцию, кожух и систему рециркуляции воздуха оболочки. Кожух имеет часть, расположенную вокруг секции сжигания, содержащую стенку кожуха, которая имеет верхнюю часть стенки, образующую верхнюю мертвую точку, левую и правую боковые части стенки и нижнюю часть стенки, образующую нижнюю мертвую точку. При этом данная часть кожуха дополнительно ограничивает внутренний объем, в котором находятся устройства для сжигания и воздух, сжатый посредством компрессорной секции. Система рециркуляции воздуха оболочки содержит, по меньшей мере, один выпускной элемент, расположенный у нижней части стенки, представляющей собой стенку кожуха, первый и второй впускные элементы, расположенные у верхней части стенки, представляющей собой стенку кожуха, при этом данные впускные элементы расположены на определенном расстоянии друг от друга по окружности и расположены по существу в одном и том же месте в аксиальном направлении, систему трубопроводов, обеспечивающую сообщение по текучей среде между, по меньшей мере, одним выпускным элементом и впускными элементами, воздуходувку и клапанную систему. Изобретение обеспечивает равномерное распределение температур воздуха в оболочке камеры сгорания. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Газотурбинный двигатель, имеющий продольную ось, определяющую аксиальное направление двигателя, при этом двигатель содержит:
компрессорную секцию, в которой воздух, втягиваемый в двигатель, сжимается;
секцию сжигания, содержащую множество устройств для сжигания, в которых топливо смешивается с, по меньшей мере, частью сжатого воздуха из компрессорной секции и сжигается для образования горячих газообразных продуктов сгорания;
турбинную секцию, в которой горячие газообразные продукты сгорания из секции сжигания расширяются для выделения энергии из газообразных продуктов сгорания;
кожух, имеющий часть, расположенную вокруг секции сжигания, при этом данная часть кожуха содержит стенку кожуха, которая имеет верхнюю часть стенки, образующую верхнюю мертвую точку, левую и правую боковые части стенки и нижнюю часть стенки, образующую нижнюю мертвую точку, при этом данная часть кожуха дополнительно ограничивает внутренний объем, в котором находятся устройства для сжигания и воздух, сжатый посредством компрессорной секции; и
систему рециркуляции воздуха оболочки, содержащую:
по меньшей мере, один выпускной элемент, расположенный у нижней части стенки, представляющей собой стенку кожуха;
первый и второй впускные элементы, расположенные у верхней части стенки, представляющей собой стенку кожуха, при этом данные впускные элементы расположены на определенном расстоянии друг от друга по окружности и расположены по существу в одном и том же месте в аксиальном направлении;
систему трубопроводов, которая обеспечивает сообщение по текучей среде между данным, по меньшей мере, одним выпускным элементом и впускными элементами;
воздуходувку, предназначенную для отвода воздуха из внутреннего объема данной части кожуха через данный, по меньшей мере, один выпускной элемент и для перемещения отведенного воздуха к впускным элементам; и
клапанную систему, предназначенную для избирательного обеспечения возможности и предотвращения прохода воздуха через систему трубопроводов;
при этом:
во время первого режима работы двигателя:
по меньшей мере, некоторая часть воздуха, находящегося во внутреннем объеме данной части кожуха, вводится в устройства для сжигания для сжигания данной части воздуха вместе с топливом для образования горячих газообразных продуктов сгорания; и
клапанная система по существу предотвращает проход воздуха через систему трубопроводов; и
во время второго режима работы двигателя клапанная система обеспечивает возможность прохода воздуха через систему трубопроводов так, что, по меньшей мере, часть воздуха, находящегося во внутреннем объеме данной части кожуха, отводится из данного, по меньшей мере, одного выпускного элемента посредством воздуходувки и перемещается посредством воздуходувки к впускным элементам для вдувания к верхней части стенки, представляющей собой стенку кожуха.

2. Газотурбинный двигатель по п. 1, в котором первый режим работы двигателя представляет собой работу при полной нагрузке.

3. Газотурбинный двигатель по п. 2, в котором второй режим работы двигателя представляет собой работу при нагрузке, меньшей чем полная нагрузка.

4. Газотурбинный двигатель по п. 1, в котором впускные элементы выполнены с такой конфигурацией, что воздух, вдуваемый посредством них, имеет составляющую вектора скорости, направленную в направлении вдоль окружности.

5. Газотурбинный двигатель по п. 4, в котором впускные элементы выполнены с такой конфигурацией, что они обеспечивают вдувание воздуха по меньшей мере частично в направлениях друг к другу и к верхней мертвой точке стенки кожуха, которая расположена в направлении вдоль окружности между впускными элементами.

6. Газотурбинный двигатель по п. 5, в котором впускные элементы выполнены с такой конфигурацией, что воздух, вдуваемый
посредством них, проходит от верхней части стенки, представляющей собой стенку кожуха, вниз вдоль левой и правой боковых частей стенки, представляющей собой стенку кожуха, к нижней части стенки, представляющей собой стенку кожуха.

7. Газотурбинный двигатель по п. 6, в котором впускные элементы выполнены с такой конфигурацией, что воздух, вдуваемый посредством них, имеет составляющую вектора скорости, направленную в аксиальном направлении.

8. Газотурбинный двигатель по п. 1, в котором данный, по меньшей мере, один выпускной элемент и впускные элементы также функционируют в качестве труб для добавления пара, предназначенных для ввода пара высокого давления во внутренний объем данной части кожуха во время первого режима работы.

9. Газотурбинный двигатель по п. 1, в котором секция сжигания представляет собой секцию сжигания с трубчатыми расположенными по кольцу камерами сгорания, и множество устройств для сжигания представляет собой упорядоченный ряд расположенных по кольцу устройств для сжигания.

10. Газотурбинный двигатель, имеющий продольную ось, определяющую аксиальное направление двигателя, при этом двигатель содержит:
компрессорную секцию, в которой воздух, втягиваемый в двигатель, сжимается;
секцию сжигания, содержащую множество устройств для сжигания, в которых топливо смешивается с, по меньшей мере, частью сжатого воздуха из компрессорной секции и сжигается для образования горячих газообразных продуктов сгорания;
турбинную секцию, в которой горячие газообразные продукты сгорания из секции сжигания расширяются для выделения энергии из газообразных продуктов сгорания;
кожух, имеющий часть, расположенную вокруг секции сжигания, при этом данная часть кожуха содержит стенку кожуха, которая имеет верхнюю часть стенки, образующую верхнюю мертвую точку, левую и правую боковые части стенки и нижнюю часть стенки, образующую нижнюю мертвую точку, при этом данная часть кожуха дополнительно ограничивает внутренний объем, в котором находятся
устройства для сжигания и воздух, сжатый посредством компрессорной секции; и
систему рециркуляции воздуха оболочки, содержащую:
по меньшей мере, один выпускной элемент, расположенный у нижней части стенки, представляющей собой стенку кожуха;
по меньшей мере, один впускной элемент, расположенный у верхней части стенки, представляющей собой стенку кожуха;
систему трубопроводов, которая обеспечивает сообщение по текучей среде между данным, по меньшей мере, одним выпускным элементом и данным, по меньшей мере, одним впускным элементом;
воздуходувку, предназначенную для отвода воздуха из внутреннего объема данной части кожуха через данный, по меньшей мере, один выпускной элемент и для перемещения отведенного воздуха к данному, по меньшей мере, одному впускному элементу; и
клапанную систему, предназначенную для избирательного обеспечения возможности и предотвращения прохода воздуха через систему трубопроводов;
при этом:
во время первого режима работы двигателя:
по меньшей мере, некоторая часть воздуха, находящегося во внутреннем объеме данной части кожуха, вводится в устройства для сжигания для сжигания данной части воздуха вместе с топливом для образования горячих газообразных продуктов сгорания; и
клапанная система по существу предотвращает проход воздуха через систему трубопроводов; и
во время второго режима работы двигателя клапанная система обеспечивает возможность прохода воздуха через систему трубопроводов так, что, по меньшей мере, часть воздуха, находящегося во внутреннем объеме данной части кожуха, отводится из данного, по меньшей мере, одного выпускного элемента посредством воздуходувки и перемещается посредством воздуходувки к данному, по меньшей мере, одному впускному элементу, при этом данный, по меньшей мере, один впускной элемент выполнен с такой конфигурацией, что воздух, вдуваемый посредством него, проходит от верхней части стенки, представляющей собой стенку кожуха, вниз вдоль левой и правой боковых частей стенки, представляющей
собой стенку кожуха, к нижней части стенки, представляющей собой стенку кожуха.

11. Газотурбинный двигатель по п. 10, в котором первый режим работы двигателя представляет собой работу при полной нагрузке, и второй режим работы двигателя представляет собой работу при нагрузке, меньшей чем полная нагрузка.

12. Газотурбинный двигатель по п. 10, в котором данный, по меньшей мере, один впускной элемент содержит первый и второй разнесенные по окружности, впускные элементы, расположенные по существу в одном и том же месте в аксиальном направлении, при этом оба впускных элемента обеспечивают вдувание воздуха в направлении друг к другу и к верхней мертвой точке стенки кожуха.

13. Газотурбинный двигатель по п. 12, в котором впускные элементы выполнены с такой конфигурацией, что воздух, вдуваемый посредством них, имеет составляющую вектора скорости, направленную в аксиальном направлении к компрессорной секции и от турбинной секции.

14. Газотурбинный двигатель по п. 10, в котором данный, по меньшей мере, один выпускной элемент и данный, по меньшей мере, один впускной элемент также функционируют в качестве труб для добавления пара, предназначенных для ввода пара высокого давления во внутренний объем данной части кожуха во время первого режима работы.

15. Газотурбинный двигатель по п. 11, в котором секция сжигания представляет собой секцию сжигания с трубчатыми расположенными по кольцу камерами сгорания, и множество устройств для сжигания представляет собой упорядоченный ряд расположенных по кольцу устройств для сжигания.

16. Газотурбинный двигатель, имеющий продольную ось, определяющую аксиальное направление двигателя, при этом двигатель содержит:
компрессорную секцию, в которой воздух, втягиваемый в двигатель, сжимается;
секцию сжигания с трубчатыми расположенными по кольцу камерами сгорания, содержащую упорядоченный ряд расположенных по
кольцу устройств для сжигания, в которых топливо смешивается с, по меньшей мере, частью сжатого воздуха из компрессорной секции и сжигается для образования горячих газообразных продуктов сгорания;
турбинную секцию, в которой горячие газообразные продукты сгорания из секции сжигания расширяются для выделения энергии из газообразных продуктов сгорания;
кожух, имеющий часть, расположенную вокруг секции сжигания, при этом данная часть кожуха содержит стенку кожуха, которая имеет верхнюю часть стенки, образующую верхнюю мертвую точку, левую и правую боковые части стенки и нижнюю часть стенки, образующую нижнюю мертвую точку, при этом данная часть кожуха дополнительно ограничивает внутренний объем, в котором находятся устройства для сжигания и воздух, сжатый посредством компрессорной секции; и
систему рециркуляции воздуха оболочки, содержащую:
по меньшей мере, один выпускной элемент, расположенный у нижней части стенки, представляющей собой стенку кожуха;
по меньшей мере, один впускной элемент, расположенный у верхней части стенки, представляющей собой стенку кожуха, при этом, по меньшей мере, один из данных выпускного и впускного элементов также функционирует в качестве трубы для добавления пара, предназначенной для ввода пара высокого давления во внутренний объем данной части кожуха во время первого режима работы;
систему трубопроводов, которая обеспечивает сообщение по текучей среде между данным, по меньшей мере, одним выпускным элементом и данным, по меньшей мере, одним впускным элементом;
воздуходувку, предназначенную для отвода воздуха из внутреннего объема данной части кожуха через данный, по меньшей мере, один выпускной элемент и для перемещения отведенного воздуха к данному, по меньшей мере, одному впускному элементу; и
клапанную систему, предназначенную для избирательного обеспечения возможности и предотвращения прохода воздуха через систему трубопроводов;
при этом:
во время первого режима работы двигателя:
по меньшей мере, некоторая часть воздуха, находящегося во внутреннем объеме данной части кожуха, вводится в устройства для сжигания для сжигания данной части воздуха вместе с топливом для образования горячих газообразных продуктов сгорания; и
клапанная система по существу предотвращает проход воздуха через систему трубопроводов; и
во время второго режима работы двигателя клапанная система обеспечивает возможность прохода воздуха через систему трубопроводов так, что, по меньшей мере, часть воздуха, находящегося во внутреннем объеме данной части кожуха, отводится из данного, по меньшей мере, одного выпускного элемента посредством воздуходувки и перемещается посредством воздуходувки к данному, по меньшей мере, одному впускному элементу для вдувания к верхней части стенки кожуха.

17. Газотурбинный двигатель по п. 16, в котором каждый из выпускного и впускного элементов также функционирует в качестве трубы для добавления пара, предназначенной для ввода пара высокого давления во внутренний объем данной части кожуха во время первого режима работы.

18. Газотурбинный двигатель по п. 16 в котором данный, по меньшей мере, один впускной элемент содержит первый и второй разнесенные по окружности, впускные элементы, расположенные по существу в одном и том же месте в аксиальном направлении, при этом первый впускной элемент расположен рядом с левой боковой частью стенки, представляющей собой стенку кожуха, и второй впускной элемент расположен рядом с правой боковой частью стенки, представляющей собой стенку кожуха.

19. Газотурбинный двигатель по п. 18, в котором впускные элементы выполнены с такой конфигурацией, что воздух, вдуваемый посредством них, проходит от верхней части стенки, представляющей собой стенку кожуха, вниз вдоль соответствующих левой и правой боковых частей стенки, представляющей собой стенку кожуха, к нижней части стенки, представляющей собой стенку кожуха.

20. Газотурбинный двигатель по п. 19, в котором впускные
элементы выполнены с такой конфигурацией, что воздух, вдуваемый посредством них, имеет составляющую вектора скорости, направленную в аксиальном направлении.