КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2017 года по МПК F23R3/28 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится в целом к камерам сгорания для использования в газовых турбинах и более конкретно к конфигурациям и устройствам горелок с предварительным смешиванием, подходящих для этих камер сгорания.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Промышленная газовая турбина обычно включает в себя компрессор и турбину, обычно расположенные на общем валу. Между компрессором и турбиной находится камера сгорания, в которой обычно расположено множество горелок. Горелки образуют горячие продукты сгорания от горения газообразного и/или жидкого топлива. Тип горелки, который может быть использован в камере сгорания, включает в себя извлекаемую горелку типа трубки. Извлечение таких горелок обычно требует наличия отверстия во внешних кожухах с размером, сравнимым с диаметром горелки. Чем больше диаметр горелки, тем больше сравнимое отверстие во внешнем кожухе и тем выше стоимость производства.

Воздух для горения, необходимый для горения топлива, всасывается посредством компрессора через подвод воздуха, сжимается и впоследствии подается, через канал сжатого воздуха, в напорную камеру, из которой он проходит через соответствующие отверстия в горелку. Горячие продукты сгорания из камеры сгорания проходят, через канал горячего газа, в турбину, в которой осуществляется работа на одной или более ступенях. Из-за температуры продуктов сгорания и необходимости исключения утечки газообразного продукта сгорания все уплотненные соединения внутри камеры сгорания должны продуваться, обычно продувочным воздухом. Тем не менее, добавление продувочного воздуха отрицательно влияет на эффективность газовой турбины. Следовательно, желательно разработать конструкции, которые сводят к минимуму потребность в уплотнениях.

Проблемой, которая может возникнуть в камере сгорания таких промышленных газовых турбин, являются колебания давления. Колебания давления могут сократить срок службы деталей и могут привести к снижению выходной мощности турбины. В заявке на патент США № US 2004/001020 A1 описан блок управления, который управляет по меньшей мере одним из расхода топлива и расхода воздуха для преодоления колебаний. Тем не менее, существует потребность в разработке альтернативных способов преодоления колебаний, которые не влияют на эффективность или мощность турбины.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение направлено на предоставление горелки камеры сгорания, которая способствует более экономически эффективному извлечению горелок и обеспечивает настройку для преодоления колебаний давления.

В изобретении сделана попытка решить эти проблемы посредством объекта изобретения в соответствии с независимым пунктом формулы изобретения. Преимущественные варианты осуществления даны в зависимых пунктах формулы изобретения.

Описание основано на общей идее, заключающейся в предоставлении горелки, которая подвижно установлена внутри рукава, который прикреплен к передней панели жаровой трубы камеры сгорания или иначе образует ее часть.

Одним аспектом изобретения является предоставление камеры сгорания, в которой горелка выполнена с возможностью перемещения в осевом направлении внутри рукава и относительно рукава во время работы камеры сгорания.

Согласно аспекту предоставляется камера сгорания для газовой турбины, содержащая переднюю панель, к которой второй конец продолговатого рукава прикреплен без уплотнения. Камера сгорания дополнительно содержит горелку, установленную в рукаве. Установка без уплотнения уменьшает необходимость в продувке воздухом после сгорания внутри камеры сгорания, которая иначе требуется для предотвращения утечки газообразного продукта сгорания через уплотнение и сохранения температуры уплотнения. Горелка может являться смесительной областью камеры сгорания, в которой топливо вводится и смешивается с газообразными продуктами сгорания. Ниже по потоку от передней панели камера сгорания может иметь область сгорания. Передняя панель обычно ориентирована перпендикулярно направлению основного потока. У передней панели площадь потока увеличивается. Обычно это увеличение площади потока происходит ступенчато.

Согласно другому аспекту, горелка выполнена как извлекаемая скольжением горелка, и установка в рукаве обеспечивает осевое вставление и установку внутри рукава. Поскольку рукав не является частью горелки, диаметр горелки сведен к минимуму. Это позволяет упростить конструкцию внешнего кожуха.

Согласно другому аспекту, горелка содержит корпус и конусообразно расширяющуюся завихряющую оболочку, проходящую из корпуса у первого узкого конца ко второму более широкому дальнему концу. В этом аспекте, рукав покрывает завихряющую оболочку так, чтобы обеспечивать равномерное распределение скорости вдоль оболочки. Это приводит к меньшему падению давления в горелке. Эффективность распределения воздуха дополнительно улучшается посредством рукава, у первого расположенного выше по потоку конца, имеющего коническое устье для направления газообразных продуктов сгорания в осевом направлении.

Согласно другому аспекту, выход рукава, у второго расположенного ниже по потоку конца, имеет выход в форме колокола для обеспечения устойчивости пламени.

Согласно другому аспекту, горелка содержит кольцо горелки, имеющее первый расположенный выше по потоку конец, второй дальний расположенный ниже по потоку конец, внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность, причем кольцо горелки неподвижно прикреплено к дальнему второму концу завихряющей оболочки на внутренней поверхности кольца горелки в точке между первым и вторым концами кольца горелки, чтобы по меньшей мере частично покрывать завихряющую оболочку. Кольцо горелки улучшает устойчивость крепления горелки внутри рукава посредством увеличения осевой поверхности соприкосновения между рукавом и горелкой.

Согласно другой особенности, уплотнение для герметизации полости, образованной между кольцом горелки и рукавом, расположено либо на кольце горелки, либо на рукаве, причем уплотнение образует точку крепления между кольцом горелки и рукавом. Уплотнение сводит к минимуму возможность утечки газа за горелкой.

Согласно аспекту, уплотнение является лабиринтным и поршневым кольцевым уплотнением, и уплотнение расположено на внешней поверхности кольца горелки.

Согласно аспекту, рукав содержит множество продувочных отверстий сквозь рукав, которые окружают рукав. Продувочные отверстия обеспечивают продувку полости между кольцом горелки и рукавом. Предпочтительно, продувочные отверстия расположены так, чтобы, когда кольцо горелки установлено в рукаве, продувочные отверстия были способны направлять продувочный газ в кольцевой зазор, образованный между внешней поверхностью кольца горелки и рукавом, и проходящей от расположенного ниже по потоку конца уплотнения.

Согласно аспекту, уплотнение расположено на внешней поверхности кольца горелки близко к первому расположенному выше по потоку концу кольца горелки. Расположение уплотнения близко к расположенному выше по потоку концу кольца горелки позволяет продлить осевое изменение крепления горелки внутри рукава, в это же время сохраняя продувочные отверстия у расположенного ниже по потоку конца уплотнения.

Согласно аспекту, камера сгорания содержит множество закрепленных в окружном направлении рукавов и горелок согласно другим аспектам изобретения, причем осевое выстраивание по меньшей мере двух горелок является шахматным. Это обеспечено возможностью скольжения горелки внутри рукава. В системе с множеством горелок, возможность обеспечения шахматного осевого относительного положения горелок обеспечивает эффективное средство настройки колебаний давления без дополнительной необходимости регулировки потоков топлива или воздуха или других условий работы.

Дополнительной целью изобретения является преодоление или по меньшей мере улучшение недостатков и несовершенств предшествующего уровня техники или разработка полезной альтернативы.

Другие аспекты и преимущества настоящего изобретения будут поняты из последующего описания при его прочтении совместно с прилагаемыми чертежами, посредством описанных иллюстративных вариантов осуществления настоящего изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В качестве примера, далее более подробно описаны варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых:

Фиг. 1 представляет собой вид в разрезе иллюстративной камеры сгорания согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, причем на Фиг. 1a показана горелка, установленная в рукаве, тогда как на Фиг. 1b показана горелка, извлеченная из рукава;

Фиг. 2 представляет собой вид в разрезе иллюстративного варианта осуществления горелки и рукава, подходящих для камеры сгорания с Фиг. 1;

Фиг. 3 представляет собой увеличенный вид в разрезе части кольца горелки и рукава с Фиг. 2;

Фиг. 4 представляет собой вид в разрезе иллюстративного варианта осуществления горелки и рукава, подходящих для камеры сгорания с Фиг. 1;

Фиг. 5 представляет собой схематичный вид горелки с Фиг. 1 с рукавом в частичном разрезе; и

Фиг. 6 представляет собой вид в разрезе иллюстративного варианта осуществления с множеством иллюстративных горелок, как показано на Фиг. 2, в котором горелки имеют шахматное осевое выстраивание.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения описаны далее со ссылкой на чертежи, на которых одинаковые элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями. В дальнейшем описании, в целях пояснения, изложено множество конкретных подробностей для обеспечения всестороннего понимания изобретения. Тем не менее, настоящее изобретение может быть осуществлено без этих конкретных подробностей, и не ограничено иллюстративными вариантами осуществления, описанными в этом документе.

Во всем этом описании делается ссылка на осевое направление. Осевое направление относится к оси горелки 30. К тому же, выше по потоку и ниже по потоку относятся к нормальному направлению потока топлива/воздуха, когда горелка 30 работает.

В иллюстративном варианте осуществления, показанном на Фиг. 1, камера сгорания 10 для газовой турбины содержит жаровую трубу 12, которая включает в себя переднюю панель 14. Функция жаровой трубы 12 заключается в выдерживании температур камеры сгорания, содержания газообразных продуктов сгорания в камере сгорания 10 и направления их к первой ступени турбины. Назначение передней панели 14 заключается в обеспечении перехода от выставленной ортогонально концевой поверхности горелки 30 к осевой протяженности камеры сгорания 10, а также в обеспечении точки крепления для горелки 30. Продолговатый рукав 20 у его второго расположенного ниже по потоку конца 24 неподвижно прикреплен к передней панели 14 камеры сгорания 10. Крепление выполнено так, что между передней панелью 14 и рукавом 20 отсутствует перемещение. В результате этого соединение не имеет зазора и, следовательно, не требует уплотнения. Тем не менее, крепление не ограничено соединением двух отдельных деталей, и также может включать в себя единственный элемент, в котором часть передней панели 14 образована как единое целое с частью рукава 20.

В иллюстративном варианте осуществления, показанном на Фиг. 2, крепление горелки 30 и форма горелки 30 относительно рукава 20 таковы, что горелка 30 может быть извлечена со скольжением изнутри рукава 20, как показано на Фиг. 1b. Когда горелка 30 представляет собой горелку 30 извлекаемого типа, уменьшенный диаметр горелки 30 упрощает извлечение и конструкцию внешнего кожуха.

Горелка 30 иллюстративного варианта осуществления, как показано на Фиг. 2, представляет собой горелку 30 с вихревым потоком, содержащую расположенную выше по потоку секцию, которая включает в себя завихряющую оболочку 33, в которой топливо впрыскивается и приводится в соприкосновение с воздухом для горения. Завихряющая оболочка 33 содержит конусообразно расширяющуюся секцию, которая проходит от корпуса 31 горелки. Топливо может быть впрыснуто вдоль осевой длины завихряющей оболочки 33, выполненной с возможностью способствования вихревому потоку.

Как показано на Фиг. 2, в иллюстративном варианте осуществления, горелка 30 закреплена внутри рукава 20 так, что рукав 20 охватывает или покрывает по меньшей мере часть горелки 30. Установка горелки 30 внутри рукава 20 и осевая протяженность рукава 20 таковы, что рукав 20, как показано на Фиг. 2, охватывает и/или покрывает завихряющую оболочку 33 горелки 30 и проходит далее за завихряющую оболочку 33 в осевом направлении вниз по потоку. Рукав 20, несмотря на то, что он не является неотъемлемой частью горелки 30 в том смысле, что он не присоединен неподвижно к горелке 30, выполняет функцию смесительной области ниже по потоку от завихряющей оболочки 33 для обеспечения однородного смешивания топлива и воздуха.

В иллюстративном варианте осуществления, как показано на Фиг. 2, рукав 20, у первого расположенного выше по потоку конца, имеет коническое устье для направления газообразных продуктов сгорания в осевом направлении.

Горелка 30 установлена с возможностью скольжения в рукав 20, чтобы обеспечивать осевую регулировку горелки 30. Эта установка с возможностью скольжения дополнительно позволяет извлекать горелку 30 из камеры сгорания 10 независимо от рукава 20. Это достигается посредством относительной формы рукава 20 и второго конца завихряющей оболочки 33, как показано на Фиг. 1b. В иллюстративном варианте осуществления, рукав 20 имеет такую форму, чтобы иметь проходящую в осевом направлении область постоянного или почти постоянного диаметра.

В иллюстративном варианте осуществления, показанном на Фиг. 2, второй конец рукава 20, то есть выход рукава 20, имеет выход в форме колокола для способствования стабилизации пламени.

В иллюстративном варианте осуществления, показанном на Фиг. 2, к дальнему в осевом направлении концу завихряющей оболочки 33 горелки прикреплено кольцо 36 горелки. Кольцо 36 горелки способствует установке горелки 30 с возможностью скольжения внутри рукава 20 посредством выполнения с формой, стыкующейся с внутренней формой рукава 20 в области рукава 20 между его дальними концами, которая имеет постоянный или почти постоянный диаметр.

В иллюстративном варианте осуществления, показанном на Фиг. 3, уплотнение 40 расположено в полости 42 между кольцом 36 горелки и рукавом 20. Уплотнение 40, которое может быть расположено либо на кольце 36 горелки, либо на рукаве 20, является точкой соприкосновения между кольцом 36 горелки и рукавом 20, образуя точку крепления для кольца 36 горелки на рукаве 20. В иллюстративном варианте осуществления, уплотнение 40 расположено на внешней поверхности 39 кольца 36 горелки. В дополнительном иллюстративном варианте осуществления, показанном на Фиг. 2, точка крепления является единственной точкой соприкосновения между кольцом 36 горелки и рукавом 20.

В иллюстративном варианте осуществления, показанном на Фиг. 3, крепление кольца 36 горелки таково, что первый конец 37 кольца горелки расположен близко к расположенному выше по потоку концу горелки 30, и второй конец 38 кольца горелки расположен близко к дальнему расположенному ниже по потоку концу горелки 30. В этом расположении, уплотнение 40 расположено на внешней поверхности 39 кольца 36 горелки близко к первому концу 37 кольца горелки.

В иллюстративном варианте осуществления, показанном на Фиг. 3, уплотнение 40 представляет собой лабиринтное и поршневое кольцевое уплотнение, тем не менее, могут быть использованы другие уплотнительные системы, обладающие возможностью сохранения уплотнения между двумя, по существу, плоскими поверхностями в условиях воздействия давления и температуры камеры сгорания 10.

В дополнительном иллюстративном варианте осуществления, показанном на Фиг. 4, корпус 31 горелки дополнительно содержит трубку 32, проходящую через корпус 31 горелки и далее в полость, образованную завихряющей оболочкой 33 горелки. В иллюстративном варианте осуществления, назначением трубки 32 является обеспечение дополнительного средства подачи топлива для предварительного смешивания масла с газом и пилотного впрыска.

В иллюстративном варианте осуществления, показанном на Фиг. 5, рукав 20 содержит множество продувочных отверстий, образованных сквозь рукав 20, которые окружают рукав 20. Продувочные отверстия 44 расположены ниже по потоку от уплотнения 40 между кольцом 36 горелки и рукавом 20. Назначение продувочных отверстий заключается в обеспечении средства продувки топливно-воздушной смеси из полости 42, образованной между кольцом 36 горелки и рукавом 20, и, таким образом, предотвращения возможной утечки смеси обратно через уплотнение 40.

В иллюстративном варианте осуществления, показанном на Фиг. 6, камера сгорания 10 содержит множество неподвижных рукавов 20 и горелок 30, причем осевое выстраивание по меньшей мере двух горелок 30 является шахматным.

Несмотря на то что в этом документе изобретение показано и описано со ссылкой на то, что рассматривается как наиболее практичные иллюстративные варианты осуществления, настоящее изобретение может быть осуществлено в других конкретных формах без отхода от его сущности и существенных признаков. Следовательно, описанные здесь варианты осуществления во всех отношениях следует понимать как иллюстративные и неограничивающие. Объем изобретения определен в прилагаемой формуле изобретения, а не в предшествующем описании, и в объем включены все изменения, относящиеся к его пониманию и диапазону эквивалентов.

ССЫЛОЧНЫЕ ПОЗИЦИИ

10 Камера сгорания

12 Жаровая труба

14 Передняя панель

20 Рукав

22 Первый конец рукава

24 Второй конец рукава

30 Горелка

31 Корпус горелки

32 Трубка

33 Завихряющая оболочка горелки

34 Первый конец оболочки

35 Второй конец оболочки

36 Кольцо горелки

37 Первый конец кольца горелки

38 Втор конец кольца горелки

39 Внешняя поверхность кольца горелки

40 Уплотнение

42 Полость

44 Продувочные отверстия

Изобретение относится к энергетике. Камера сгорания для газовой турбины, которая содержит переднюю панель, продолговатый рукав с первым концом и вторым концом и горелку, установленную в рукаве. Второй конец рукава установлен без уплотнения на передней панели. Рукав и горелка выполнены с возможностью обеспечения установки горелки с возможностью скольжения в рукаве. Изобретение обеспечивает настройку для преодоления колебаний давления, а также способствует более эффективному извлечению горелок. 12 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Камера сгорания (10) для газовой турбины, содержащая:

переднюю панель (14);

продолговатый рукав (20) с первым концом (22) и вторым концом (24) и

горелку (30), установленную в рукаве (20),

отличающаяся тем, что второй конец (24) рукава (20) установлен на передней панели (14) без уплотнения,

причем горелка (30) содержит:

корпус (31) горелки и

конусообразно расширяющуюся завихряющую оболочку (33), проходящую из корпуса (31), имеющую узкий первый конец (34) и более широкий дальний второй конец (35),

причем рукав покрывает завихряющую оболочку (33),

причем горелка (30) дополнительно содержит:

кольцо (36) горелки, имеющее:

первый конец (37) по отношению к осевому расположенному выше по потоку концу горелки;

второй дальний конец (38) по отношению к осевому расположенному ниже по потоку концу горелки (30) и

внешнюю поверхность (39),

причем кольцо (36) горелки неподвижно прикреплено ко второму концу (35) завихряющей оболочки на внутренней поверхности кольца (36) горелки в точке между первым концом (37) кольца горелки и вторым концом (38) кольца горелки так, чтобы по меньшей мере частично покрывать завихряющую оболочку (33).

2. Камера сгорания (10) по п. 1, в которой горелка (30) выполнена с возможностью перемещения в осевом направлении внутри рукава (20) и относительно рукава (20) во время работы камеры сгорания (10).

3. Камера сгорания (10) по п. 1 или 2, в которой горелка (30) установлена с возможностью скольжения в рукаве (20), чтобы обеспечивать осевую регулировку горелки (30) внутри рукава (20).

4. Камера сгорания (10) по любому из пп. 1, 2, в которой рукав (20) у второго конца (24) имеет форму колокола.

5. Камера сгорания (10) по п. 1, дополнительно содержащая уплотнение (40) для герметизации полости (42), образованной между кольцом (36) горелки и рукавом (20), причем уплотнение (40) расположено либо на кольце (36) горелки, либо на рукаве (20).

6. Камера сгорания (10) по п. 5, в которой уплотнение (40) представляет собой лабиринтное и поршневое кольцевое уплотнение.

7. Камера сгорания (10) по п. 5, в которой уплотнение (40) расположено на внешней поверхности (39) кольца (36) горелки.

8. Камера сгорания (10) по п. 5, в которой уплотнение (40) расположено близко к первому концу (37) кольца (36) горелки.

9. Камера сгорания (10) по п. 6, в которой уплотнение (40) расположено на внешней поверхности (39) кольца (36) горелки близко к первому концу (37) кольца горелки.

10. Камера сгорания (10) по п. 5, в которой рукав (20) содержит множество сквозных продувочных отверстий (44), выполненных и расположенных так, что продувочные отверстия (44) способны направлять продувочный газ в кольцевой зазор, образованный между внешней поверхностью (39) кольца горелки и рукавом (20) между уплотнением (40) и вторым концом (37) кольца горелки.

11. Камера сгорания (10) по п. 10, в которой множество продувочных отверстий (44) окружает рукав (20).

12. Камера сгорания (10) по п. 1, в которой корпус (31) горелки дополнительно содержит трубку (32), проходящую в осевом направлении через корпус (31) горелки и из корпуса (31) горелки в полость, образованную в завихряющей оболочке (33), для предварительного смешивания масла и пилотного впрыска газа.

13. Камера сгорания (10) по любому из пп. 1, 2, причем камера сгорания (10) дополнительно содержит множество рукавов (20) и горелок (30), причем по меньшей мере две из горелок (30) в рукавах (20) расположены в осевом направлении в шахматном порядке.