КОМПОНОВКА ГОРЕЛКИ Российский патент 2018 года по МПК F23R3/28 F23R3/10 

Изобретение относится к компоновке горелки, в частности, для газотурбинной установки.

В ходе усовершенствования газовых турбин для достижения увеличенной мощности и более высокого коэффициента полезного действия на входе турбин имеют место все более высокие температуры. Для этого, в частности, необходимо изготавливать соответствующие горелки.

Эти горелки должны также удовлетворять более высоким требованиям, в отношении их изготовления и обслуживания, а поэтому, кроме всего прочего, высокие требования предъявляются также к их сроку службы. В частности, подверженные высоким температурам или перепадам температур такие компоненты, как, например, обращенная камере горения торцевая пластина горелки, при эксплуатации получают большие локальные напряжения, приводящие, в частности, к откалыванию керамических покрытий, а вследствие этого к раннему отказу конструктивного элемента.

Задача изобретения состоит в создании такого вышеуказанного устройства, в котором даже при более высоких требованиях относительно температуры и перепада температур обеспечивается большой срок службы конструктивного элемента.

Изобретение решает эту задачу, предусматривая компоновку горелки с камерой горения, с множеством впадающих в камеру горения смесительных каналов, в которых смешиваются поступающий при эксплуатации согласно предписанию топочный воздух и поступающее топливо, причем смесительные каналы образованы смесительными трубками, проходящими в осевом направлении через кольцевую полость, определенную между трубчатой внешней стенкой, расположенной радиально на некотором расстоянии от внешней стенки трубчатой внутренней стенкой, расположенной вверх по потоку кольцеобразной торцевой пластиной и расположенной вниз по потоку кольцеобразной торцевой пластиной, причем торцевые пластины снабжены сквозными отверстиями, вмещающими смесительные трубки и/или продолжающими их и имеющими продолжающийся как радиально внутри, так и радиально снаружи в направлении кольцевой полости огибающий край, в расположенной вниз по потоку кольцеобразной торцевой пластине в крае предусмотрены осевые сверления, проходящие, по существу, параллельно к перпендикуляру торцевой пластины от кольцевой полости в торцевую пластину, и предусмотрено по меньшей мере одно ответвляющееся от осевого сверления отверстие для отвода охлаждающего воздуха.

Это позволяет транспортировать простым способом охлаждающий воздух в термически нагруженные участки горелки для уменьшения в них температуры при эксплуатации или обеспечивать более гомогенное распределение температуры. Данное мероприятие уменьшает вызванные влиянием температуры напряжения в материале и удлиняет срок службы конструктивного элемента.

В предпочтительном варианте выполнения по меньшей мере одно отверстие впадает в камеру или карман для охлаждающего воздуха, открытый в кольцевую полость. Благодаря этим камерам или карманам для охлаждающего воздуха уменьшается скопление материала в близком к камере горения участке. Кроме того, получается более гомогенное распределение температуры. Вследствие этого можно в значительной степени уменьшать вызванные влиянием температуры напряжения.

Целесообразно, если несколько сверлений впадают в камеру или в карман охлаждающего воздуха. Это максимизирует эффект охлаждения в камере или кармане охлаждающего воздуха.

Обычно самым большим тепловым нагрузкам торцевой пластины подвержены ее радиально внешний и ее радиально внутренний края. Поэтому предпочтительно, если сверления расположены в этих участках.

В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения отверстие впадает в продолговатое углубление, проходящее из камеры горения вверх по потоку в крае торцевой пластины. Выполнение разгрузочных прорезей в термически нагруженных участках делает этот компонент более гибким в наиболее нагруженных местах, а вследствие этого он может лучше реагировать на тепловые расширения без значительного увеличения величин напряжения.

Поэтому особенно предпочтительно, если углубление расположено радиально внутри во внутреннем крае, так как в нем самые большие величины напряжения конструктивного элемента. Продувание воздухом из сверлений служит для предотвращения мертвых зон в углублении, в которых останавливается горячий воздух.

Кроме того, для уплотнения торцевой пластины относительно камеры горения целесообразно, если длина углубления меньше высоты края.

Кроме того, принимая во внимание, что с помощью этих мероприятий в материале должны уменьшаться напряжения, целесообразно, если дно углубления имеет профиль поперечного сечения из большого количества кружков, овалов, эллипсов, так чтобы исключать такие источники для увеличенных напряжений материала, как, например, кромки.

Предпочтительно, если отверстия двух сверлений впадают в углубление так, что расположенные напротив стороны углубления могут охлаждаться ударным охлаждением.

Наконец, предпочтительно, если в углублении в направлении кольцевой полости расположены другие отверстия. Другие отверстия могут использоваться в качестве отверстий резонатора. Эти дополнительные резонаторы могут уменьшить количество уже имеющихся резонаторных сверлений в торцевой пластине со стороны горелки, вследствие чего увеличивается расстояние между резонаторными сверлениями и таким образом между ними уменьшаются напряжения.

Изготовление таких торцевых пластин возможно осуществлять с помощью электрохимического снятия (ECM), электроискровой обработки (EDM) и селективного лазерного плавления (SLM).

Взятые в отдельности или в комбинации названные варианты выполнения изобретения приводят к сокращению максимальных величин напряжений, а вследствие этого к увеличенному сроку службы торцевой пластины. При охлаждении холодным воздухом в местах, подверженных высокой температурной нагрузке, торцевая пластина прогревается более равномерно при переходных режимах, а также при постоянной эксплуатации происходит более равномерное распределение температуры. Это приводит при одинаковых температурных условиях к меньшим температурным нагрузкам. Благодаря этим вариантам обеспечивается существенное удлинение срока службы торцевой пластины при одинаковых тепловых граничных условиях. Это увеличивает диапазон регулирования при эксплуатации и является более экономичной альтернативой также и в отношении материалов и покрытия.

Далее приводится более подробное описание изобретения со ссылкой на чертежи. На них схематически и не в масштабе показаны:

фиг. 1 - схематичный вид в разрезе компоновки горелки;

фиг. 2 - торцевая пластина с осевыми сверлениями в крае;

фиг. 3 - детальный вид торцевой пластины;

фиг. 4 - другой детальный вид торцевой пластины;

фиг. 5 - вид в разрезе сверлений в торцевой пластине;

фиг. 6 - торцевая пластина с продолговатыми углублениями;

фиг. 7 - изображение внутренних структур торцевой пластины;

фиг. 8 - вид в разрезе продолговатого углубления и

фиг. 9 - вид вдоль оси углубления.

На чертежах показана компоновка 1 горелки согласно варианту выполнения данного изобретения или ее компоненты. Компоновка 1 горелки, представленная на фиг. 1, содержит камеру 2 горения, центрально расположенную пилотную горелку 23, компоновку 24 смесительных трубок с множеством смесительных трубок 6, образующих смесительные каналы 3, впадающие в камеру 2 горения, множество топливных форсунок 25, выступающих до подходящего положения в смесительные трубки 6, и монтажную пластину 26, вмещающую компоновку 24 смесительных трубок и служащую для фиксации компоновки 1 горелки в не изображенном подробно корпусе машины.

Компоновка 24 смесительных трубок содержит трубчатую внешнюю стенку 8, расположенную радиально на некотором расстоянии от внешней стенки 8 трубчатую внутреннюю стенку 9, расположенную вверх по потоку кольцеобразную торцевую пластину 10 и расположенную вниз по потоку торцевую пластину 11, которые определяют кольцевую полость 7, через которую в осевом направлении проходят смесительные трубки 6. Торцевая пластина 11 имеет проходящий как радиально внутри, так и радиально снаружи в направлении кольцевой полости 7 огибающий край 13, 14. Кроме того, компоновка 24 смесительных трубок содержит кольцеобразную разделительную пластину 27.

Расположенная вверх по потоку торцевая пластина 10 содержит множество сквозных отверстий 12, вмещающих и/или продолжающих смесительные трубки 6. Сквозные отверстия 12 определяют предпочтительно две окружности центра отверстия отличающимися друг от друга различными диаметрами окружности центров отверстий, причем сквозные отверстия 12 первой окружности центра отверстия и сквозные отверстия 12 второй окружности центра отверстия расположены со смещением относительно друг друга в радиальном направлении. Кроме того, торцевая пластина 10 имеет множество не показанных на фиг. 1 вентиляционных каналов, проходящих в осевом направлении и распределенных по кольцевой поверхности торцевой пластины 10.

Разделительная пластина 27 снабжена аналогично торцевой пластине 10 сквозными отверстиями 28, располагающимися на одной прямой в осевом направлении со сквозными отверстиями 12 торцевой пластины 10. Кроме того, разделительная пластина 27 снабжена множеством каналов 29 продувочного воздуха, распределенных по кольцевой поверхности разделительной пластины 27.

Расположенная вниз по потоку торцевая пластина 11 содержит аналогично торцевой пластине 10 и разделительной пластине 27 сквозные отверстия 12, располагающиеся на одной прямой со сквозными отверстиями 12 торцевой пластины 10 и сквозными отверстиями 28 разделительной пластины 27. Кроме того, в торцевой пластине 11 выполнены проходящие по оси вентиляционные каналы 30, соединяющие гидравлически кольцевую полость 7 с камерой горения 2.

При эксплуатации топливо 5 и топочный воздух 4 протекают через струйные сопла, т.е. смесительные трубки 6, и входят в виде смеси воздуха и топлива в камеру 2 горения.

На фиг. 2 показана расположенная вниз по потоку кольцеобразная торцевая пластина 11 со сквозными отверстиями 12 и осевыми сверлениями 15 в крае 13, 14 как радиально внутри, так и радиально снаружи. Сверления 15 проходят, по существу, параллельно к перпендикуляру торцевой пластины 11 от кольцевой полости 7 внутрь торцевой пластины 11.

На фиг. 3 можно увидеть, что предусмотрено по меньшей мере одно ответвляющееся от осевого сверления 15 отверстие 16 для отвода охлаждающего воздуха 17.

На фиг. 4 показаны несколько сверлений 15, впадающих в камеру 18. На фиг. 5 они еще раз показаны, только под другим углом и в разрезе. Камеры 18 или также карманы охлаждающего воздуха могут состоять из комбинации сверлений и вырезов или изготавливаться с помощью других способов. В частности, размещение в местах с высокой температурой во внутренней и внешней частях цилиндровой поверхности торцевой пластины приводит к лучшему распределению температуры, а вследствие этого, - к меньшим напряжениям, вызванным влиянием температуры.

На фиг. 6 показан вариант выполнения изобретения с продолговатыми углублениями 19, продолжающимися от камеры 2 горения вверх по потоку в крае 13 торцевой пластины 11. Углубления расположены радиально внутри во внутреннем крае 13. Их длина меньше, чем высота края 13.

На фиг. 7 показаны структуры внутри края 13 торцевой пластины 11. В примере выполнения каждое углубление 19 имеет по два сверления 15. Сверления 15 имеют отверстия 16 для отвода охлаждающего воздуха 17. Этот охлаждающий воздух 17 протекает по каналам 31 к углублению 19. Отверстия 16 или каналы 31 расположены так, что находящиеся напротив стороны 21 углубления 19 могут охлаждаться ударным охлаждением. На фиг. 7 также показано, что дно 20 углубления 19 имеет профиль поперечного сечения из большого количества кружков, овалов и эллипсов. Кроме того, на фиг. 7 можно видеть, что в углублении 19 расположены другие отверстия 22 в направлении кольцевой полости 7.

На фиг. 8 показан вид в разрезе углубления 19 этого же примера выполнения. На ней можно увидеть круглое дно 20 углубления 19, а также каналы 31, приходящие из отверстий 16 сверлений 15 и впадающие в углубление 19, а также другие исходящие из углубления 19 отверстия 22, впадающие из углублений 19 в кольцевую полость 7.

На фиг. 9 показан вид со стороны камеры горения на край 13 в углубление вдоль его продольной оси. Видны выпуски каналов 31.

Хотя изобретение подробно проиллюстрировано и описано посредством предпочтительного примера выполнения, оно не ограничено опубликованными примерами выполнения, а специалист может извлечь из него другие варианты, не выходя за рамки объема правовой охраны изобретения.

Изобретение относится к области энергетики. Предлагается компоновка (1) горелки с камерой (2) горения, с множеством впадающих в камеру (2) горения смесительных каналов (3), в которых смешиваются поступающий при эксплуатации согласно предписанию топочный воздух (4) и поступающее топливо (5), причем смесительные каналы (3) образованы смесительными трубками (6), проходящими в осевом направлении через кольцевую полость (7), определенную между трубчатой внешней стенкой (8), расположенной радиально на некотором расстоянии от внешней стенки трубчатой внутренней стенкой (9), расположенной вверх по потоку кольцеобразной торцевой пластиной (10) и расположенной вниз по потоку кольцеобразной торцевой пластиной (11), причем торцевые пластины (10, 11) снабжены сквозными отверстиями (12), вмещающими смесительные трубки (6) и/или продолжающими их и имеющими продолжающийся как радиально внутри, так и радиально снаружи в направлении кольцевой полости (7) огибающий край (13, 14), причем в расположенной вниз по потоку кольцеобразной торцевой пластине (11) в крае (13, 14) предусмотрены осевые сверления (15), проходящие, по существу, параллельно к перпендикуляру торцевой пластины (11) от кольцевой полости (7) в торцевую пластину (11), и имеется по меньшей мере одно ответвляющееся от осевого сверления (15) отверстие (16) для отвода охлаждающего воздуха (17). Изобретение позволяет повысить эксплуатационную надежность горелки. 9 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Компоновка (1) горелки с камерой (2) горения, с множеством впадающих в камеру (2) горения смесительных каналов (3), в которых смешиваются поступающий при эксплуатации согласно предписанию топочный воздух (4) и поступающее топливо (5), причем смесительные каналы (3) образованы смесительными трубками (6), проходящими в осевом направлении через кольцевую полость (7), определенную между трубчатой внешней стенкой (8), расположенной радиально на некотором расстоянии от внешней стенки трубчатой внутренней стенкой (9), расположенной вверх по потоку кольцеобразной торцевой пластиной (10) и расположенной вниз по потоку кольцеобразной торцевой пластиной (11), причем торцевые пластины (10, 11) снабжены сквозными отверстиями (12), вмещающими смесительные трубки (6) и/или продолжающими их и имеющими продолжающийся как радиально внутри, так и радиально снаружи в направлении кольцевой полости (7) огибающий край (13, 14), отличающаяся тем, что в расположенной вниз по потоку кольцеобразной торцевой пластине (11) в крае (13, 14) имеются осевые сверления (15), проходящие, по существу, параллельно к перпендикуляру торцевой пластины (11) от кольцевой полости (7) - в торцевую пластину (11), причем имеется по меньшей мере одно ответвляющееся от осевого сверления (15) отверстие (16) для отвода охлаждающего воздуха (17).

2. Компоновка (1) горелки по п. 1, причем по меньшей мере одно отверстие (16) впадает в камеру (18), открытую в кольцевую полость (7).

3. Компоновка (1) горелки по п. 2, причем несколько сверлений (15) впадают в камеру (18).

4. Компоновка (1) горелки по любому из предыдущих пунктов, причем сверления (15) расположены как в радиально внешнем, так и в радиально внутреннем крае 13, 14 торцевой пластины (11).

5. Компоновка (1) горелки по п. 1, причем отверстие (15) впадает в продолговатое углубление (19), проходящее из камеры горения (2) вверх по потоку в крае (13) торцевой пластины (11).

6. Компоновка (1) горелки по п. 5, причем углубление (19) расположено радиально внутри во внутреннем крае (13).

7. Компоновка (1) горелки по п. 5 или 6, причем длина углубления (19) меньше высоты края (13).

8. Компоновка (1) горелки по любому из пп. 5-7, причем дно (20) углубления (19) имеет профиль поперечного сечения из большого количества кружков, овалов, эллипсов.

9. Компоновка (1) горелки по любому из пп. 5-8, причем отверстия (16) двух сверлений (15) впадают в углубление (19) так, что расположенные напротив стороны (21) углубления (19) могут охлаждаться ударным охлаждением.

10. Компоновка (1) горелки по любому из пп. 5-9, причем в углублении (19) в направлении кольцевой полости (7) расположены другие отверстия (22).