ЭЛЕМЕНТ ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ЭКРАНА ДЛЯ ОБВОДА ВОЗДУХА КОМПРЕССОРА ВОКРУГ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ Российский патент 2017 года по МПК F23R3/00 F23R3/06 

Изобретение относится к элементу теплозащитного экрана камеры сгорания, в частности кольцевой камеры сгорания газотурбинной установки, и относится к обводу воздуха компрессора вокруг камеры сгорания при неполной нагрузке. Изобретение относится далее к камере сгорания и к соответствующей газотурбинной установке.

За счёт снижения средней температуры воспламенения при снижении мощности газовой турбины эмиссия окиси углерода постепенно увеличивается до тех пор, пока она за вычетом определённой неполной нагрузки не превысит предписанного значения предельной эмиссии. Вследствие этого, выявляется допустимая минимальная производительность. Однако важным обстоятельством может являться поддержание работоспособности машины при очень большой производительности.

Возможность повышения температуры воспламенения и, тем самым, уменьшения эмиссии окиси углерода состоит в том, чтобы провести часть воздуха компрессора вокруг зоны горения и перед входом в турбину снова отвести поток горячего воздуха назад. Расчёты показали, что эта методика при использовании кольцевой камеры сгорания является перспективной. Проблемой является при этом то, что обвод должен быть активен лишь в актуальных рабочих диапазонах, так как иначе на производительность газовой турбины будет оказываться ненужное воздействие. Он должен быть выполнен, таким образом, с возможностью переключения, причём и при отключенном обводе горячий газ не должен проникать в него.

В противоположность описанному уровню техники задача предложенного на рассмотрение изобретения состоит в том, чтобы посредством обвода увеличить насколько это возможно одинаковый по уровню содержания оксида углерода диапазон хода газовой турбины в направлении малой производительности.

Следующая задача предложенного на рассмотрение изобретения состоит в создании улучшенной камеры сгорания.

И, наконец, задачей изобретения является создание улучшенной газовой турбины.

Первая задача решается посредством элемента теплозащитного экрана согласно пункту 1 формулы изобретения, вторая задача посредством камеры сгорания согласно пункту 7 формулы изобретения и третья задача посредством газовой турбины согласно пункту 12 формулы изобретения.

Последующие зависимые пункты формулы изобретения содержат предпочтительные варианты осуществления изобретения.

Для решения указанных задач в изобретении предусматривается, что у элемента теплозащитного экрана, в частности, для облицовки стенки камеры сгорания, включающего в себя первую стенку с горячей стороной, на которую может подаваться горячая среда, с противолежащей горячей стороне холодной стороной и с круговой кромкой, проходящей по первой, второй и третьей боковым сторонам первой стенки за пределы холодной стороны, в основном, до первой высоты, круговая кромка на четвёртой боковой стороне проходит до второй высоты, которая меньше первой высоты и, что, в основном, на второй высоте вторая стенка противолежит холодной стороне и проходит по ширине четвёртой боковой стороны от четвёртой боковой стороны через часть длины смежных с четвёртой боковой стороной боковых сторон, причём вторая стенка на своём обращенном от четвёртой боковой стороны конце имеет кромку, проходящую до первой высоты.

Изобретение основывается на идее о том, что у кольцевой камеры сгорания, которая по большей части облицована керамическими элементами теплозащитного экрана и лишь вход в турбину облицован металлическими элементами теплозащитного экрана, подача воздуха обвода должна происходить в зоне металлических элементов теплозащитного экрана стенки камеры сгорания, поскольку подача должна происходить как можно дальше от зоны воспламенения для предотвращения охлаждения пламени, однако, перед турбиной, для достижения максимально высокого кпд газовой турбины. Для этого необходим новый дизайн металлических элементов теплозащитного экрана. Этот дизайн является предметом настоящей заявки.

Элемент теплозащитного экрана разделятся на две расположенные друг над другом герметичные относительно друг друга зоны, которые в смонтированном состоянии, то есть со стенкой камеры сгорания, образуют камеры. Первая камера проходит по всей поверхности элемента теплозащитного экрана и используется для нормального охлаждения металлического защитного экрана.

Вторая камера находится в обращенной к турбине части элемента теплозащитного экрана над первой камерой.

В предпочтительном варианте элемент теплозащитного экрана состоит из устойчивого к высоким температурам металла или из устойчивого к высоким температурам металлического сплава, так как эти материалы обладают меньшей ломкостью, чем, к примеру, керамика, и имеют сравнительно хорошую тепло- и температуропроводность.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения предусмотрено большое количество расположенных по круговой кромке отверстий для охлаждающего воздуха, из которых предназначенный для охлаждения элемента теплозащитного экрана воздух компрессора может выходить в камеру сгорания.

При этом целесообразно располагать отверстия для охлаждающего воздуха, по меньшей мере, в зоне второй стенки между первой стенкой и второй стенкой. Таким образом, отверстия для охлаждающего воздуха находятся в зоне первой камеры для охлаждения элемента теплозащитного экрана.

В предпочтительном варианте элемент теплозащитного экрана включает в себя далее крепёжное отверстие, окантовка которого проходит от первой стенки до первой высоты. Тем самым, гарантируется, что обе камеры герметичны относительно друг друга, и воздух через необходимое для закрепления элемента защитного экрана отверстие не может пройти из одной в другую камеру.

Элемент теплозащитного экрана используется для защиты от перегрева проводящих горячий газ компонентов, в частности, камеры сгорания, предпочтительно кольцеобразной камеры сгорания газовой турбины, которая имеет стенку камеры сгорания, с концом со стороны горелки и с концом со стороны турбины, причём стенка камеры сгорания имеет направление по периферии. Некоторое количество элементов теплозащитного экрана расположено при этом предпочтительно на конце со стороны турбины стенки камеры сгорания с образованием двух камер в направлении периферии, причём четвёртая боковая сторона ориентирована к концу со стороны турбины.

Элементы теплозащитного экрана при этом предпочтительно посредством крепёжных болтов закреплены на стенке камеры сгорания.

В предпочтительном варианте в стенке камеры сгорания сформированы отверстия, так что к элементам теплозащитного экрана может подаваться охлаждающее средство.

В предпочтительном варианте осуществления камеры сгорания в стенке камеры сгорания расположен, по меньшей мере, один подводящий канал для каждого элемента теплозащитного экрана в зоне, соответственно, второй стенки, который входит в, по меньшей мере, частично окружающую камеру сгорания сборную ёмкость.

Камера сгорания, на которой установлены элементы теплозащитного экрана, является в предпочтительном варианте частью газовой турбины. Эта газовая турбина включает в себя, по меньшей мере, один заборный элемент для воздуха компрессора, который, по меньшей мере, через один трубопровод с клапаном входит в сборную ёмкость.

Изобретение позволяет осуществлять подачу воздуха обвода в поток горячего воздуха без серьёзной модификации конструктивных элементов, подающих горячий газ.

Поэтому перемещение воздуха может быть осуществлено сравнительно экономичным образом. При этом гарантируется, что и при отключенном обводе не происходит втягивания горячего воздуха, так как вторая камера постоянно продувается и её выход располагается благоприятно в отношении прохождения потока между элементом защитного экрана и лопаткой 10 турбины.

Изобретение поясняется в качестве примера более детально на основании чертежей, на которых схематично и не в масштабе изображены:

фиг. 1 - разрез кольцевой камеры сгорания в соответствии с уровнем техники,

фиг. 2 - металлический элемент теплозащитного экрана в соответствии с изобретением,

фиг. 3 - разрез кольцевой камеры сгорания в соответствии с изобретением с системой забора для обвода воздуха компрессора.

Фиг. 1 схематично и в качестве примера представляет систему сжигания кольцевой камеры 1 сгорания в соответствии с уровнем техники, в корпусе 2. Кольцевая камера 1 сгорания состоит из закрытого кольца, расположенного вокруг оси 3 ротора. Горелки 4 располагаются в верхней зоне камеры 1 сгорания во впускных отверстиях 5. Здесь происходит смешивание горючего материала 6 с воздухом 7 компрессора. В камере 1 сгорания происходит собственно сжигание. Через выпуск на конце 8 со стороны турбины кольцевой камеры 1 сгорания горячие отработавшие газы попадают в турбину 9, где они встречаются с первой вертикально ориентированной лопаткой 10 турбины. Для защиты от образования окалины кольцевая камера 1 сгорания облицована керамическими элементами 11 теплозащитного экрана и металлическими элементами 12 теплозащитного экрана, которые закреплены на стенке 13 камеры сгорания.

В соответствии с изобретением подача воздуха обвода должна производиться в зоне металлических элементов 12 теплозащитного экрана, поскольку подача должна происходить максимально удалённо от зоны сжигания и, таким образом, предотвращается охлаждение пламени, однако, ещё перед турбиной 9, для достижения максимально высокого кпд газовой турбины.

Фиг. 2 демонстрирует металлический элемент 14 теплозащитного экрана в соответствии с изобретением, который крепится на стенке 13 камеры сгорания и образует с ней первую камеру 15 и открытую в направлении турбины вторую камеру 16, которые герметичны относительно друг друга.

Сам металлический элемент 14 теплозащитного экрана включает в себя первую стенку 17 с горячей стороной 18, на которую подаётся горячая среда, с противолежащей горячей стороне 18 холодной стороной 19 и с четырьмя расположенными между ними боковыми сторонами 20, 21, 22, 23. Круговая кромка 24 проходит от каждой боковой стороны 20, 21, 22, 23 за пределы холодной стороны 19. На первой боковой стороне 20, на второй боковой стороне 21 и на третьей боковой стороне 22 кромка 24 распространяется, в основном, до первой высоты 25 относительно холодной стороны 19 первой стенки 17, а на четвёртой боковой стороне 23 лишь до меньшей второй высоты 26. Благодаря этому, встроенный металлический элемент 14 теплозащитного экрана лежит на кромках трёх боковых сторон 20, 21, 22 на стенке 13 камеры сгорания.

Вторая стенка 27 располагается, в основном, на второй высоте 26 напротив холодной стороны 19. Она проходит по ширине четвёртой боковой стороны 23 и от четвёртой боковой стороны 23 по части длины смежных с четвёртой боковой стороной 23 боковых сторон 20, 22. Вторая стенка 27 имеет далее на своём обращённом от четвёртой боковой стороны 23 конце 28 кромку 29, проходящую от второй высоты 26 до первой высоты 25.

Для охлаждения металлического элемента 14 теплозащитного экрана в круговой кромке 24 в зоне первой камеры 15 предусмотрено большое количество отверстий 30 для охлаждающего воздуха.

Первая камера 15, как и у элементов 12 теплозащитного экрана из уровня техники, через отверстия в стенке 13 камеры сгорания для охлаждения снабжается воздухом компрессора, выходящим из металлического элемента 14 теплозащитного экрана через эти отверстия 30 для охлаждающего воздуха.

Металлический элемент 14 теплозащитного экрана имеет крепёжное отверстие 31, окантовка 32 которого проходит от первой стенки 17 до первой высоты 25. Через это крепёжное отверстие 31 элемент 14 теплозащитного экрана посредством крепёжного болта закрепляется на стенке 13 камеры сгорания.

Система обеспечения открытой в направлении турбины 9 второй камеры 16 воздухом компрессора состоит из двух компонентов. С одной стороны, вторая камера 16 постоянно через несколько отверстий в стенке 13 камеры сгорания снабжается небольшим количеством воздуха компрессора для продувки, чтобы горячий газ не смог проникнуть во вторую камеру 16 при отключенном обводе.

С другой стороны, во вторую камеру 16 с возможностью переключения может подаваться поток обводной массы. Он через сравнительно большие отверстия, то есть в сравнении с отверстиями для продувки, подаётся в стенку 13 камеры сгорания. Поток обводной массы проходит затем через отверстие на задней кромке, то есть на обращённой к камере сгорания стороне элемента 14 теплозащитного экрана, на которой круговая кромка 24 доходит лишь до второй высоты 26, в зазор между металлическим элементом 14 теплозащитного экрана и первой вертикально расположенной лопаткой 10 турбины.

Фиг. 3 демонстрирует, как для обвода сначала воздух компрессора выводится через заборный элемент 33 из газовой турбины. Вне газовой турбины производится управление посредством клапана 34. Затем воздух по трубопроводу 35 отводится обратно в газовую турбину и подаётся в расположенную вокруг кольцевой камеры 1 сгорания сборную ёмкость 36. Выпускные каналы 37 или выпускные отверстия ведут от неё к соответствующей второй камере 16 соответствующего металлического элемента 14 теплозащитного экрана.

В примере осуществления изобретения на фиг. 3 представлены, соответственно, лишь заборный элемент 33, клапан 34, трубопровод 35 и сборная ёмкость 36. Также возможны решения с большим количеством заборных элементов, клапанов, трубопроводов и сборных ёмкостей.

Изобретение относится к энергетике. Элемент (14) теплозащитного экрана, в частности, для облицовки стенки камеры сгорания, включающий в себя первую стенку (17) с горячей стороной (18), на которую может подаваться горячая среда, с противолежащей горячей стороне (18) холодной стороной (19) и с круговой кромкой (24), которая проходит по первой боковой стороне (20), второй боковой стороне (21) и третьей боковой стороне (22) первой стенки (17) за пределы холодной стороны (19), в основном, до первой высоты (25), причем круговая кромка (24) на четвертой боковой стороне (23) проходит до второй высоты (26), которая меньше первой высоты (25) и, что, в основном, на второй высоте (26) вторая стенка (27) противолежит холодной стороне (19) и проходит по ширине четвертой боковой стороны (23) от четвертой боковой стороны (23) через часть длины смежных с четвертой боковой стороной (23) боковых сторон (20, 22), причем вторая стенка (27) на своем обращенном от четвертой боковой стороны (23) конце (28) имеет кромку (29), которая проходит до первой высоты (25). Также представлены камера сгорания и газовая турбина. Изобретение позволяет осуществлять подачу воздуха обвода в поток горячего воздуха без серьезной модификации конструктивных элементов, подающих горячий газ. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Элемент (14) теплозащитного экрана, предназначенный преимущественно для облицовки стенки (13) камеры сгорания, включающий в себя первую стенку (17) с горячей стороной (18), расположенной с возможностью подачи на нее горячей среды, с противолежащей горячей стороне (18) холодной стороной (19) и с круговой кромкой (24), которая проходит по первой боковой стороне (20), второй боковой стороне (21) и третьей боковой стороне (22) первой стенки (17) за пределы холодной стороны (19), в основном до первой высоты (25), отличающийся тем, что круговая кромка (24) проходит на четвертой боковой стороне (23) до второй высоты (26), которая меньше первой высоты (25), при этом в основном, на второй высоте (26) вторая стенка (27) противолежит холодной стороне (19) и проходит по ширине четвертой боковой стороны (23) от четвертой боковой стороны (23) через часть длины смежных с четвертой боковой стороной (23) боковых сторон (20, 22), причем вторая стенка (27) на своем обращенном от четвертой боковой стороны (23) конце (28) имеет кромку (29), проходящую до первой высоты (25).

2. Элемент (14) по п. 1, отличающийся тем, что он состоит из устойчивого к высоким температурам металла или из устойчивого к высоким температурам металлического сплава.

3. Элемент (14) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что он имеет большое количество расположенных по круговой кромке (24) отверстий (30) для охлаждающего воздуха.

4. Элемент (14) по п. 3, отличающийся тем, что отверстия (30) для охлаждающего воздуха расположены по меньшей мере в зоне второй стенки (27) между первой стенкой (26) и второй стенкой (27).

5. Элемент (14) по любому из пп. 1, 2 или 4, отличающийся тем, что он включает в себя дополнительно крепежное отверстие (31), окантовка (32) которого проходит от первой стенки (17) до первой высоты (25).

6. Элемент (14) по п. 3, отличающийся тем, что он включает в себя дополнительно крепежное отверстие (31), окантовка (32) которого проходит от первой стенки (17) до первой высоты (25).

7. Камера (1) сгорания, имеющая стенку с одним концом со стороны горелки и с одним концом (8) со стороны турбины, причем стенка (13) камеры сгорания имеет окружное направление, включающая в себя большое количество элементов (14) теплозащитного экрана согласно любому из пп. 1-5, которые расположены на конце (8) со стороны турбины стенки (13) камеры сгорания с образованием двух камер (15, 16) в окружном направлении, причем четвертая боковая сторона (23) ориентирована к концу (8) со стороны турбины.

8. Камера (1) сгорания по п. 7, причем элементы (14) теплозащитного экрана закреплены на стенке (13) камеры сгорания посредством крепежных болтов.

9. Камера (1) сгорания по п. 7 или 8, причем в стенке (13) камеры сгорания выполнены отверстия, с возможностью подачи охлаждающего средства к элементам (14) теплозащитного экрана.

10. Камера (1) сгорания по п. 7 или 8, причем в стенке (13) камеры сгорания расположен по меньшей мере один подводящий канал для каждого элемента (14) теплозащитного экрана в зоне соответственно второй стенки (27), который входит в по меньшей мере частично окружающую камеру (1) сгорания сборную емкость (36).

11. Камера (1) сгорания по п. 9, причем в стенке (13) камеры сгорания расположен по меньшей мере один подводящий канал для каждого элемента (14) теплозащитного экрана в зоне соответственно второй стенки (27), который входит в по меньшей мере частично окружающую камеру (1) сгорания сборную емкость (36).

12. Газовая турбина с камерой (1) сгорания по любому из пп. 7-11, причем газовая турбина включает в себя по меньшей мере один заборный элемент (33) для воздуха компрессора, который по меньшей мере через один трубопровод (35) с клапаном (34) входит в сборную емкость (36).