УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ПРИНУДИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2020 года по МПК F23R3/60 F23R3/06 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится в основном к газотурбинным установкам и, более конкретно, к устройству и способу для принудительного охлаждения компонентов камеры сгорания газотурбинной установки.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Газотурбинные установки широко используются в энергетике. Обычная газотурбинная установка включает в себя компрессор, камеру сгорания и турбину. При работе газотурбинной установки различные ее компоненты подвергаются воздействию высокотемпературных газовых потоков, что может быть причиной их разрушения или износа из-за термомеханической усталости и/или окисления. Поскольку потоки с более высокой температурой позволяют повысить эксплуатационные характеристики, эффективность и выходную мощность газотурбинной установки, то компоненты, которые подвергаются воздействию высокотемпературных потоков, должны охлаждаться, чтобы газотурбинная установка могла работать при повышенных температурах. Высокие температуры пламени в современных камерах сгорания обуславливают необходимость активно охлаждать по существу все металлические поверхности камеры сгорания.

[0003] Например, в существующих газотурбинных установках воздух для горения подается через кольцевой канал между горячей частью камеры сгорания, а именно, жаровой трубой, и корпусом камеры сгорания. После сгорания горячие газы текут из камеры сгорания к турбине в направлении по существу противоположном потоку сжатого воздуха через кольцевой канал. Верхняя часть прохода для горячих газов камеры сгорания известна как сегментная зона, которая содержит множество сегментов, прикрепленных к держателю сегментов, а нижняя часть прохода для горячих газов называется жаровой трубой камеры сгорания. Конец жаровой трубы образует кольцо, которое расположено в нижней области держателя сегментов. Полость между конической частью жаровой трубы и держателем сегментов называется продувочной полостью и обычно заполнена смесью горячих газов и охлаждающего воздуха, образованной продувающим потоком и просачивающимся потоком. Для защиты держателя сегментов от непосредственного воздействия высоких температур может быть использовано стопорное кольцо.

[0004] Обычно наружная поверхность стопорного кольца обдувается охлаждающим воздухом, направляемым из держателя сегментов. Однако испытания показали недостаточную эффективность местного охлаждения из-за сильного завихрения и неравномерности потока горячих газов, следствием чего является тепловая деформация стопорного кольца, которая может привести к перекрыванию зоны продувки. В некоторых зонах из-за высокого давления потока горячего газа горячий газ может попадать в продувочную полость, что может стать причиной местного перегрева стопорного кольца. Эти горячие пятна могут приводить к повышенному окислению и уменьшать срок службы стопорного кольца. Помимо стопорного кольца, другие компоненты турбины, включая, в первую очередь, камеру сгорания, могут быть чувствительны к повышению температуры из-за непосредственного контакта с потоком горячего газа из зоны горения.

[0005] С учетом изложенного выше, существует потребность в усовершенствованной системе охлаждения компонентов камеры сгорания, в особенности стопорного кольца камеры сгорания, гарантирующей эффективное и надежное охлаждение для предотвращения перегрева, и при этом нечувствительной к характеристикам и параметрам потока горячего газа.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] Согласно одному варианту осуществления изобретения, предложена камера сгорания. Камера сгорания содержит: корпус, определяющий наружную трубу, жаровую трубу, расположенную в корпусе и имеющую внутреннюю поверхность для приема горячих рабочих газов из зоны горения камеры сгорания, и наружную поверхность, при этом между корпусом и жаровой трубой образован кольцевой проточный канал. Камера сгорания содержит также держатель сегментов, функционально соединенный с жаровой трубой, в котором находится верхняя часть жаровой трубы. Между держателем сегментов и жаровой трубой образована продувочную полость. Жаровая труба имеет множество отверстий для ударяющих струй, выполненных с возможностью направления потока охлаждающего воздуха из кольцевого проточного канала в продувочную полость.

[0007] Согласно другому варианту осуществления изобретения предложена газотурбинная установка. Газотурбинная установка содержит компрессор и камеру сгорания, расположенную ниже по потоку относительно компрессора. Камера сгорания содержит корпус, жаровую трубу, расположенную в корпусе и имеющую внутреннюю поверхность для приема горячих рабочих газы из зоны горения камеры сгорания, и наружную поверхность. Между корпусом и жаровой трубой образован кольцевой проточный канал. Камера сгорания также содержит держатель сегментов, который расположен над жаровой трубой и в котором находится верхняя часть жаровой трубы, при этом между держателем сегментов и жаровой трубой образована продувочная полость. В жаровой трубе имеется множество отверстий для ударяющих струй. Эти отверстия для ударяющих струй позволяют потоку проходить между кольцевым проточным каналом и продувочной полостью. Компрессор выполнен с возможностью подавать сжатый воздух в кольцевой проточный канал. Первая часть сжатого воздуха используется в камере сгорания для горения, образующего горячие рабочие газы, а вторая часть сжатого воздуха направляется через отверстия для ударяющих струй в продувочную полость для ее продувки с целью очистки от горячих рабочих газов.

[0008] Согласно еще одному варианту осуществления изобретения, предложен способ охлаждения компонента в газотурбинной установке. Способ включает в себя операцию пропускания сжатого воздуха в кольцевой канал, образованный между наружной поверхностью жаровой трубы камеры сгорания газотурбинной установки и средней трубой или наружным корпусом камеры сгорания, при этом жаровая труба выполнена с возможностью приема и пропускания потока горячего рабочего газа из зоны горения камеры сгорания; и операцию пропускания части сжатого воздуха, находящегося в кольцевом канале, через множество выполненных в жаровой трубе отверстий для ударяющих струй так, что сжатый воздух попадает на компонент, открытый для потока горячего рабочего газа, и обеспечивает принудительное охлаждение этого компонента.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0009] Настоящее изобретение будет более понятно при рассмотрении приведенного ниже описания вариантов осуществления изобретения, не ограничивающих его объем. В описании даны ссылки на прилагаемые чертежи, где

[0010] фиг. 1 схематично изображает газотурбинную установку, выполненную согласно одному из вариантов осуществления изобретения,

[0011] фиг. 2 изображает разрез камеры сгорания газотурбинной установки, представленной на фиг. 1,

[0012] фиг. 3 изображает в аксонометрии фрагмент А фиг. 2,

[0013] фиг. 4 изображает разрез фрагмента А фиг. 2, иллюстрирующий поток охлаждающего воздуха в полости,

[0014] фиг. 5 изображает другой разрез фрагмента А фиг. 2,

[0015] фиг. 6 упрощенно изображает отверстия для ударяющих струй в камере сгорания,

[0016] фиг. 7 изображает в аксонометрии разрез части камеры сгорания, иллюстрирующий поток охлаждающего воздуха, создаваемый ударяющими струями,

[0017] фиг. 8 изображает разрез, иллюстрирующий поток горячих газов в продувочной полости известной камеры сгорания,

[0018] фиг. 9 схематично изображает устройство для принудительного охлаждения согласно другому варианту осуществления изобретения и

[0019] фиг. 10 схематично изображает устройство для принудительного охлаждения согласно еще одному варианту осуществления изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0020] Далее описаны варианты осуществления изобретения, изображенные на прилагаемых чертежах. По мере возможности, одинаковые или аналогичные элементы обозначены на чертежах одинаковыми цифровыми позициями. Хотя варианты осуществления изобретения описаны применительно к охлаждению (или минимизации повышения температуры) стопорного кольца камеры сгорания бункерного типа в газотурбинных установках посредством ударяющих струй, они также могут найти применение для охлаждения других компонентов камеры сгорания газотурбинной установки, которые могут подвергаться воздействию горячих рабочих газов. Согласно другим вариантам осуществления, изобретение может быть использовано для охлаждения компонентов газотурбинной установки в целом.

[0021] Используемый здесь термин «функционально соединен» относится к соединению, которое может быть непосредственным или опосредованным. Соединение не обязательно является механическим соединением. Используемые термины «проточно соединенный» или «сообщающийся» относятся к соединению двух или нескольких элементов таким образом, что между ними или через них может протекать поток текучей среды.

[0022] Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к устройству и способу охлаждения компонентов камеры сгорания газотурбинной установки, более конкретно, охлаждению стопорного кольца камеры сгорания газотурбинной установки. Устройство и способ позволяют осуществлять эффективное и надежное охлаждение стопорного кольца, вне зависимости от характеристик потока горячего рабочего газа. В устройстве и способе используются ударяющие струи, которые очень эффективно непосредственно охлаждают стопорное кольцо и выдувают горячие газы из зоны, окружающей это кольцо, предотвращая возможность попадания горячих газов в эту зону.

[0023] На фиг. 1 показан пример выполнения газотурбинной установки 10 (здесь также называемой газовой турбиной 10), в которой может быть использовано предлагаемое устройство. Газовая турбина 10 содержит компрессор 12, который забирает воздух через впускное отверстие. Затем компрессор 12 под давлением подает воздух в камеру сгорания, показанную на фиг. 1 в виде камеры 14 сгорания бункерного типа, которая прикреплена сверху к корпусу турбины. Согласно варианту осуществления изобретения, компрессор 12 может быть многоступенчатым осевым компрессором (например четырнадцатиступенчатым осевым компрессором, как показано на фиг. 1), имеющим множество чередующихся вращающихся и неподвижных аэродинамических профилей. Камера сгорания 14 подает рабочие газы в турбину 16, которая вращает вал 18, вращающий лопатки компрессора 12 и выходной вал 18, который подает энергию вращения на электрический генератор (не показан), присоединенный к выходному валу 18.

[0024] Как показано на фиг. 1, камера сгорания 14 содержит наружную цилиндрическую стенку 20, среднюю трубу 22 и ребристую жаровую трубу 24. Наружные стенки 20 камеры сгорания 14 соединены фланцами 26, 28. Камера сгорания 14 также содержит крышку 30, которая прикреплена болтами к фланцу 26. При работе воздух, используемый в камере сгорания 14 в процессе горения, выходит из компрессора 12 и проходит вверх вдоль камеры сгорания между жаровой трубой 24 и средней трубой 22, а также между средней трубой 22 и наружной цилиндрической стенкой 20. Затем поступающий из компрессора воздух высокого давления у крышки 30 меняет направление движения на противоположное и проходит через множество горелок 32 предварительного смешения, где смешивается с топливом. Горение происходит внутри зоны 34 горения, расположенной ниже по потоку. Горячие газы выходят из камеры 14 сгорания через зону 36. Эти горячие газы поступают в турбину 16, где вращают ротор, соединенный с валом 18, используемым для генерации энергии. После прохождения через турбину горячие газы выпускаются через зону 38.

[0025] На фиг. 2 подробно изображен разрез камеры сгорания 14 бункерного типа. Как видно на фиг. 2 и описано выше, сжатый воздух из компрессора 12 течет вверх через камеру сгорания 14 вдоль наружной поверхности жаровой трубы 24 (через кольцевой канал, ограниченный наружной поверхностью жаровой трубы 24 и внутренней поверхностью средней трубы 22 или наружной стенки 20), как показано стрелками. В верхней части камеры 14 сгорания сжатый воздух поступает в горелки 32, где он смешивается с топливом и затем сгорает в зоне 34 горения. По сравнению с горячими рабочими газами сжатый воздух, который течет вверх в камеру 14 сгорания по наружной стороне жаровой трубы 24, является холодным. В результате горения в зоне 34 образуются горячие газы, которые затем проходят вниз (в направлении, по существу противоположном направлению подачи холодного воздуха), внутри жаровой трубы 24.

[0026] Центральная зона внутри камеры сгорания 14, расположенная ниже по потоку относительно горелок 32, называется проходом для горячих газов камеры 14 сгорания. Верхняя часть этого прохода для горячих газов известна как сегментная зона, которая содержит множество сегментов 42, прикрепленных к держателю 40 сегментов, а расположенная ниже часть прохода для горячих газов ограничена жаровой трубой 24 камеры 14 сгорания. Держатель 40 представляет собой по существу кольцевой конструктивный элемент, несущий на своей внутренней периферии множество прямоугольных сегментов 42. Сегменты 42 предназначены для защиты и заслона держателя 40 сегментов от горячих рабочих газов в указанном проходе для горячих газов при их выходе через жаровую трубу 24. Согласно варианту осуществления изобретения, жаровая труба 24 имеет коническую часть 46, которая заканчивается краем 44, определяющим кольцо. Жаровая труба 24 выполнена с возможностью подавать горячие газы из камеры сгорания 34 в переходной элемент 36, который ведет к турбине 16, что подробно рассмотрено ниже.

[0027] На фиг. 3 и 4 показано взаимное расположение жаровой трубы 24 и держателя 40 сегментов. Видно, что край 44 жаровой трубы 24 (определяющий кольцо) находится внутри нижней области держателя 40 сегментов. Между конической частью 46 жаровой трубы 24 и держателем 40 сегментов образована полость 48, называемая продувочной полостью. Обычно горячие рабочие газы, протекающие через проход для горячих газов камеры 14 сгорания, поступают в продувочную полость 48. Как показано на фиг. 3 и 4, для защиты нижней части держателя 40 сегментов от непосредственного воздействия высоких температур (от горячих рабочих газов) может быть использовано стопорное кольцо 50. Кроме того, на стопорном кольце 50 может быть установлен уплотнительный элемент или уплотнительное устройство между сегментами 42 и держателем 40 сегментов. Для крепления стопорного кольца 50 к держателю 40 сегментов могут быть использованы установочные штифты или подобные крепежные средства.

[0028] Как показано на фиг. 3 и 4, согласно некоторым вариантам осуществления изобретения, наружная поверхность стопорного кольца 50 может обдуваться охлаждающим воздухом, направляемым от держателя сегментов через отверстия для охлаждающего воздуха. Охлаждающий воздух может отбираться из компрессора и проходить вверх через камеру 14 сгорания, не достигая горелок 32. Как указано выше, испытания показали, что охлаждение стопорного кольца с использованием стандартных отверстий для охлаждающего воздуха, выполненных в держателе 40 сегментов, может быть недостаточным для предотвращения перегрева и окисления стопорного кольца 50. В частности, установлено, что охлаждающий воздух из отверстий может не продувать полость 46 по всей окружности из-за неравномерности давления в потоке горячего газа, в результате чего горячий газ может попадать в продувочную полость 48. Попадание горячих газов может привести к появлению локальных горячих пятен на стопорном кольце 50, что в конечном счете сокращает срок его службы. Открытые горячему газу поверхности 52 (открытые горячему газу в проходе для горячих газов) показаны на фиг. 3.

[0029] Как показано на фиг. 3 и 4, для уменьшения или устранения локальных горячих пятен и перегрева стопорного кольца 50 в результате попадания горячих газов в продувочную полость 48, в устройстве согласно изобретению имеется множество отверстий 54 для ударяющих струй. Эти отверстия 54 выполнены в конической части 46 жаровой трубы 24. На фиг. 3 и 4 видно, что отверстия 54 для ударяющих струй проходят через коническую часть 46 жаровой трубы 24 и выполнены с возможностью направлять охлаждающий воздух из потока сжатого воздуха, проходящего между жаровой трубой 24 и средней трубой 22 (или наружной трубой 20) так, что он попадает непосредственно на стопорное кольцо 50, охлаждая его. Отверстия 54 формируют струи охлаждающего воздуха, обладающие большим импульсом силы, которые проходят сквозь поток горячего газа в продувочную полость 48 и эффективно охлаждают стопорное кольцо 50.

[0030] Согласно одному варианту осуществления изобретения, отверстия 54 для ударяющих струй выполнены в жаровой трубе 24 и равномерно распределены по всей ее окружности. Согласно варианту осуществления изобретения, представленному на фиг. 5 и 6, указанные отверстия имеют диаметр "d", который определяется из уравнения d=4S/P, где S - площадь отверстия 54 и Р - длина его окружности. Согласно варианту осуществления изобретения, d=0,15-1,0h, где h - расстояние между выходом отверстия 54 и контактной частью стопорного кольца, как показано на фиг. 5. Согласно одному варианту осуществления изобретения, толщина "с" стопорного кольца равна примерно 0,5-5d. В одном варианте осуществления изобретения шаги "x" и "у", с которыми расположены отверстия для ударяющих струй в плоскости, перпендикулярной к направлению ударяющих струй (см. фиг. 6), равны x=1-10d и у=0,25-2,5d. В одном варианте осуществления изобретения отверстия для ударяющих струй ориентированы так, что направляют поток охлаждающего воздуха под углом "α" к стопорному кольцу 50, как показано на фиг. 4. Согласно одному варианту осуществления изобретения, угол "α" лежит в пределах приблизительно 30-150 градусов.

[0031] Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения, отверстия 54 для ударяющих струй расположены по всей окружности жаровой трубы с интервалами приблизительно 1°-2,6° предпочтительно с интервалами приблизительно 1,2°-2,4°. Согласно другому варианту осуществления изобретения, отверстия 54 для ударяющих струй выполнены в жаровой трубе 24 с интервалами приблизительно 1,4°-2,2°, предпочтительно с интервалами приблизительно 1,6°-2,0°, а более предпочтительно, с интервалами примерно 1,8°. Согласно одному варианту осуществления изобретения, отверстия 54 для ударяющих струй имеют диаметр примерно 0,2-0,4 дюйма (5-10 мм). Согласно другим вариантам осуществления изобретения, отверстия 54 для ударяющих струй могут иметь любую форму и размер, включая цилиндрическую, прямоугольную, коническую форму, а также могут иметь любое радиальное положение или любой шаг, при условии, что струи ударяются о поверхность стопорного кольца 50. В частности, предполагается, что количество отверстий для ударяющих струй, а также их форма, размер, распределение и положение в радиальном и окружном направлениях могут быть любыми, при условии, что достигается попадание струй на поверхность, открытую горячим газам. Согласно одному варианту осуществления, отверстия 54 для ударяющих струй расположены таким образом, что струи ударяются о среднюю часть охлаждаемой поверхности или компонента.

[0032] Согласно одному варианту осуществления изобретения, отверстия 54 для ударяющих струй могут быть использованы для охлаждения компонентов, например стопорного кольца, камеры сгорания различных газовых турбин, например, двигателя GT11N2EV класса В, двигателя GT13E2 класса Е, двигателей GT24 и GT26 класса Е, хотя изобретение этими примерами не ограничено. Согласно одному варианту осуществления изобретения, на конической части 46 жаровой трубы 24 может находиться 200 отверстий 54, расположенных с шагом 1,8°.

[0033] Отверстия 54 для ударяющих струй могут быть выполнены в жаровой трубе 24 изначально, при ее изготовлении, но изобретение этим не ограничено. В частности, предполагается, что можно модернизировать или модифицировать существующие камеры сгорания так, чтобы реализовать принудительное струйное охлаждение. Например, отверстия 54 для ударяющих струй могут быть просверлены в жаровой трубе 24 согласно указанным выше характеристикам в полевых условиях или на рабочей площадке.

[0034] На фиг. 4 и 7 показан результат инжекции охлаждающего воздуха через отверстия 54 для ударяющих струй в воздушный поток в продувочной полости 48. Видно, что охлаждающий воздух, который вдувается через отверстия 54 для ударяющих струй, наталкивается непосредственно на стопорное кольцо 50, обеспечивая его непосредственное охлаждение. Охлаждающий воздух, проходящий в продувочную полость 48 через отверстия 54, осуществляет также продувку этой полости 48 от горячих газов и предотвращает или уменьшает поступление потока 58 горячих газов в продувочную полость 48 и нагревание стопорного кольца 50. В частности, ударяющие струи холодного воздуха образуют поток под давлением в продувочной полости 48, отводящий горячие газы от стопорного кольца 50, а также поток под давлением, направленный вверх (и в продувочную полость 48) вдоль наружной поверхности стопорного кольца 50, охлаждая его.

[0035] В этом состоит отличие от известных устройств, в которых для охлаждения используется только боковой вторичный воздушный поток. В частности, известная конфигурация, показанная на фиг. 8, позволяет горячему газу из горячего газового потока 58 заходить в продувочную полость 48 и нагревать стопорное кольцо 50, так как отсутствует эффективный охлаждающий воздушный поток, препятствующий попаданию потока горячих газов в продувочную полость 48.

[0036] Поэтому устройство и способ согласно изобретению обеспечивают эффективное и надежное принудительное охлаждение стопорного кольца 50 независимо от характеристик потока 58 горячего рабочего газа. В частности, ударяющие струи 54 осуществляют очень эффективное, непосредственное охлаждение стопорного кольца, а также выдувают горячие газы из продувочной полости 48, препятствуя поступлению в нее горячих рабочих газов. Таким образом, изобретение обеспечивает эффективное охлаждение стопорного кольца ударяющими струями, выходящими из жаровой трубы через поток горячих газов, благодаря чему значительно повышается срок службы стопорного кольца. В частности, было показано, что усталостная прочность при циклическом нагружении может быть увеличена примерно в 50 раз по сравнению с существующими устройствами. Поскольку срок службы увеличивается, интервалы между работами по техническому обслуживанию тоже могут быть увеличены.

[0037] Благодаря более низким температурам в продувочной полости 48 вследствие охлаждения путем контакта и продувки, осуществляемых ударяющими струями, дорогостоящие специальные материалы, необходимые для выдерживания типичных высоких рабочих температур внутри камеры сгорания, можно заменить более дешевыми материалами, которые могут использоваться при более низких температурах. Например, благодаря охлаждению ударяющими струями согласно изобретению стопорное кольцо может быть изготовлено из более дешевой стали, чем более дорогостоящие материалы на основе никеля. Соответственно, стоимость материалов для стопорного кольца можно уменьшить по меньшей мере на 40-50%.

[0038] Хотя в рассмотренных выше устройстве и способе предусматривается принудительное охлаждение стопорного кольца и охлаждение продувочной полости посредством ударяющих струй в конической части жаровой трубы камеры сгорания, изобретение этим не ограничено. В частности, предполагается, что ударяющие струи можно использовать для охлаждения или обдува других компонентов и областей внутри камеры сгорания (включая камеру сгорания бункерного или иного типа), а также компонентов турбины вообще.

[0039] Например, на фиг. 9 показано использование ударяющих струй 154 для охлаждения форсунки интерфейса 100 камеры сгорания другой газовой турбины (например двигателя GT13E2 класса Е). Образованный струями 154 воздушный поток предотвращает попадание горячего газового потока 158 на форсунку интерфейса камеры сгорания (см. поз. 100 на фиг. 9). Это отличается от типичной картины прохождения горячих газов в интерфейсе, которая может иметь место при отсутствии ударяющих струй (см. поз. 200 на фиг. 9).

[0040] Аналогично, на фиг. 10 показано использование ударяющих струй 354 для охлаждения дожигательной трубы 300 камеры сгорания газовой турбины (такой как двигатель GT26 или GT24 класса F). Воздушный поток, образованный струями 354, обеспечивает принудительное охлаждение, а также препятствует попаданию горячих газов из горячего газового потока 358 (см. поз. 300 на фиг. 10). Это отличается от типичной картины прохождения горячих газов в дожигательной трубе камеры сгорания, когда ударяющие струи отсутствуют (см. поз. 400 на фиг. 10). В обоих вариантах, показанных на фиг. 9 и 10, а также как описано выше, ударяющие струи образованы сжатым охлаждающим воздухом из компрессора газовой турбины, который протекает через камеру сгорания вдоль наружной стороны жаровой трубы.

[0041] Согласно одному варианту осуществления, предложена камера сгорания, содержащая корпус, жаровую трубу, расположенную в корпусе и имеющую внутреннюю поверхность для приема горячих рабочих газов из зоны горения камеры сгорания, и наружную поверхность, при этом между корпусом и жаровой трубой образован кольцевой проточный канал, Камера сгорания содержит также держатель сегментов, который функционально соединен с жаровой трубой и в котором расположена верхняя часть жаровой трубы. Между держателем сегментов и жаровой трубой образована продувочная полость. Жаровая труба имеет отверстия для ударяющих струй, выполненные с возможностью направлять поток охлаждающего воздуха из кольцевого проточного канала в продувочную полость. Согласно одному варианту осуществления изобретения, камера сгорания может содержать стопорное кольцо, соединенное с держателем сегментов и предназначенное для защиты по меньшей мере его части от горячих рабочих газов. В одном варианте осуществления изобретения указанные отверстия для ударяющих струй выполнены с возможностью направлять поток охлаждающего воздуха так, что он ударяется о стопорное кольцо для его принудительного охлаждения. В одном варианте осуществления изобретения жаровая труба имеет коническую часть, а отверстия для ударяющих струй выполнены в этой конической части. В одном варианте осуществления изобретения отверстия для ударяющих струй расположены на конической части жаровой трубы с интервалами приблизительно 1,8°. В одном варианте осуществления изобретения отверстия для ударяющих струй могут быть расположены на конической части жаровой трубы с интервалами приблизительно 1-2,6°. В одном варианте осуществления изобретения кольцевой проточный канал выполнен с возможностью приема охлаждающего воздуха из компрессорной ступени газовой турбины. В одном варианте осуществления изобретения камера сгорания является камерой сгорания бункерного типа. В одном варианте осуществления стопорное кольцо изготовлено из стали. В одном варианте осуществления изобретения камера сгорания может содержать множество сегментов, установленных на внутренней периферии держателя сегментов, при этом сегменты и держатель сегментов определяют сегментную зону прохода для горячих газов в камере сгорания.

[0042] Согласно другому варианту осуществления, предложена газотурбинная установка, содержащая компрессор и камеру сгорания, расположенную ниже по потоку относительно компрессора. Камера сгорания содержит корпус и жаровую трубу, расположенную в корпусе и имеющую внутреннюю поверхность для приема горячих рабочих газов из зоны горения камеры сгорания, и наружную поверхность. Между корпусом камеры сгорания и жаровой трубой образован кольцевой проточный канал. Кроме того, камера сгорания содержит держатель сегментов, который расположен над жаровой трубой и в который входит верхняя часть жаровой трубы. Между держателем сегментов и жаровой трубой образована продувочная полость, а в жаровой трубе имеется множество отверстий для ударяющих струй. Благодаря этим отверстиям кольцевой проточный канал и продувочная область сообщаются между собой. Компрессор выполнен с возможностью подачи сжатого воздуха в кольцевой проточный канал. Первая часть сжатого воздуха используется в камере сгорания для процесса горения, образующего горячие рабочие газы, а вторая часть сжатого воздуха направляется через отверстия для ударяющих струй в продувочную полость для ее продувки с целью очистки от горячих рабочих газов. В одном варианте осуществления изобретения камера сгорания дополнительно содержит стопорное кольцо, соединенное с держателем сегментов и предназначенное для защиты по меньшей мере его части от горячих рабочих газов, при этом отверстия для ударяющих струй выполнены с возможностью направлять вторую часть сжатого воздуха на стопорное кольцо для его принудительного охлаждения. В одном варианте осуществления изобретения жаровая труба имеет коническую часть, причем отверстия для ударяющих струй выполнены в этой конической части. В одном варианте осуществления изобретения отверстия для ударяющих струй расположены по всей окружности конической части жаровой трубы с интервалами приблизительно 1,8°. В одном варианте осуществления изобретения отверстия для ударяющих струй расположены по всей окружности конической части жаровой трубы с интервалами приблизительно 1-2,6°. В одном варианте осуществления изобретения камера сгорания является камерой сгорания бункерного типа. В одном варианте осуществления изобретения стопорное кольцо изготовлено из стали.

[0043] Согласно еще одному варианту осуществления изобретения, предложен способ охлаждения компонентов газотурбинной установки. Способ включает в себя операцию пропускания сжатого воздуха в кольцевой канал, образованный между наружной поверхностью жаровой трубы камеры сгорания газотурбинной установки и средней трубой или наружным корпусом камеры сгорания, при этом жаровая труба выполнена с возможностью приема потока горячего рабочего газа из зоны горения камеры сгорания. Способ также включает операцию пропускания части сжатого воздуха в кольцевом канале через множество отверстий для ударяющих струй, выполненных в жаровой трубе так, что сжатый воздух наталкивается на компонент, открытый потоку горячего рабочего газа, для принудительного охлаждения этого компонента. В одном варианте осуществления изобретения указанным компонентом является стопорное кольцо, заслоняющее держатель сегментов камеры сгорания от потока горячего рабочего газа. В одном варианте осуществления изобретения в держателе сегментов расположена верхняя часть жаровой трубы, при этом между держателем сегментов и жаровой трубой образована продувочная полость, а отверстия для ударяющих струй направляют часть сжатого воздуха в продувочную полость для ее очистки от горячего рабочего газа.

[0044] Используемые здесь в единственном числе термины «элемент» или «операция» не исключают возможности наличия нескольких указанных элементов или операций, если о таком исключении не сказано. Термин «один вариант осуществления изобретения» не исключает возможности других вариантов осуществления, содержащих указанные признаки. Кроме того, варианты осуществления изобретения, содержащие или имеющие элемент или множество элементов с определенными характеристиками, дополнительно могут содержать элементы, не имеющие таких характеристик.

[0045] В описании представлены примеры, раскрывающие несколько вариантов осуществления изобретения, в том числе лучших вариантов, чтобы специалисты в данной области могли реализовать изобретение на практике, включая изготовление и использование любых устройств или установок и выполнение соответствующих способов. Объем правовой охраны изобретения определяется его формулой и может охватывать другие примеры, которые могут быть предложены специалистами в данной области техники. Эти предложенные специалистами примеры находятся в объеме формулы, если они содержат конструктивные элементы, которые не отличаются от указанных в формуле, или если они содержат эквивалентные конструктивные элементы, которые имеют несущественные отличия от указанных в формуле элементов.

Камера сгорания содержит корпус, жаровую трубу, расположенную в корпусе и имеющую внутреннюю поверхность, ограничивающую полость для приема горячих рабочих газов из зоны горения камеры сгорания, и наружную поверхность. Между корпусом и жаровой трубой образован кольцевой проточный канал. Камера сгорания содержит также держатель сегментов, который соединен с жаровой трубой и в котором расположена верхняя часть жаровой трубы. Между держателем сегментов и жаровой трубой образована продувочная полость. Жаровая труба имеет множество отверстий для ударяющих струй для направления потока охлаждающего воздуха из кольцевого проточного канала в продувочную полость. Изобретение направлено на повышение эффективности охлаждения компонентов камеры сгорания. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Камера сгорания, содержащая:

корпус, образующий наружную трубу,

жаровую трубу, расположенную в корпусе и имеющую внутреннюю поверхность, ограничивающую полость для приема горячих рабочих газов из зоны горения камеры сгорания, и наружную поверхность, при этом между корпусом и жаровой трубой образован кольцевой проточный канал, и

держатель сегментов, функционально соединенный с жаровой трубой, для приема верхней части жаровой трубы, при этом между держателем сегментов и жаровой трубой образована продувочная полость,

причем жаровая труба имеет множество отверстий для ударяющих струй и эти отверстия выполнены с возможностью направлять поток охлаждающего воздуха из кольцевого проточного канала в продувочную полость.

2. Камера сгорания по п. 1, дополнительно содержащая стопорное кольцо, соединенное с держателем сегментов, для защиты по меньшей мере его части от горячих рабочих газов.

3. Камера сгорания по п. 2, в которой отверстия для ударяющих струй выполнены с возможностью направлять поток охлаждающего воздуха так, что он попадает на стопорное кольцо и обеспечивает его принудительное охлаждение.

4. Камера сгорания по п. 3, в которой жаровая труба имеет коническую часть, причем отверстия для ударяющих струй выполнены в этой конической части жаровой трубы.

5. Камера сгорания по п. 4, в которой отверстия для ударяющих струй расположены на конической части жаровой трубы с интервалами примерно 1,8°.

6. Камера сгорания по п. 4, в которой отверстия для ударяющих струй расположены на конической части жаровой трубы с интервалами примерно 1°-2,6°.

7. Камера сгорания по п. 5, в которой кольцевой проточный канал выполнен с возможностью приема охлаждающего воздуха из компрессорной ступени газовой турбины.

8. Камера сгорания по п. 5, которая представляет собой камеру сгорания бункерного типа.

9. Камера сгорания по п. 5, в которой стопорное кольцо выполнено из стали.

10. Камера сгорания по п. 5, дополнительно содержащая множество сегментов, установленных на внутренней периферии держателя сегментов, при этом сегменты и держатель сегментов определяют сегментную зону прохода для горячих газов камеры сгорания.

11. Газотурбинная установка, содержащая:

компрессор и

камеру сгорания, расположенную ниже по потоку относительно компрессора и содержащую:

корпус, образующий наружную трубу,

жаровую трубу, расположенную в корпусе и имеющую внутреннюю поверхность, ограничивающую полость для приема горячих рабочих газов из зоны горения, и наружную поверхность, при этом между корпусом и жаровой трубой образован кольцевой проточный канал,

держатель сегментов, функционально соединенный с жаровой трубой, для приема верхней части жаровой трубы, при этом между держателем сегментов и жаровой трубой образована продувочная полость, и

множество отверстий для ударяющих струй, выполненных в жаровой трубе и обеспечивающих прохождение потока между кольцевым проточным каналом и продувочной полостью,

причем компрессор выполнен с возможностью подачи сжатого воздуха в кольцевой проточный канал,

первая часть сжатого воздуха используется в камере сгорания для процесса горения, образующего горячие рабочие газы,

а вторая часть сжатого воздуха направляется через отверстия для ударяющих струй в продувочную полость для ее продувки с целью очистки от горячих рабочих газов.

12. Газотурбинная установка по п. 11, в которой камера сгорания дополнительно содержит стопорное кольцо, соединенное с держателем сегментов, для защиты по меньшей мере его части от горячих рабочих газов, причем отверстия для ударяющих струй выполнены с возможностью направлять вторую часть сжатого воздуха так, что он попадает на стопорное кольцо и обеспечивает его принудительное охлаждение.

13. Газотурбинная установка по п. 12, в которой жаровая труба имеет коническую часть, а отверстия для ударяющих струй выполнены в этой конической части жаровой трубы.

14. Газотурбинная установка по п. 13, в которой отверстия для ударяющих струй расположены с интервалами примерно 1,8° по всей окружности конической части жаровой трубы.

15. Газотурбинная установка по п. 13, в которой отверстия для ударяющих струй расположены с интервалами примерно 1°-2,6° по всей окружности конической части жаровой трубы.

16. Газотурбинная установка по п. 14, в которой камера сгорания представляет собой камеру сгорания бункерного типа.

17. Газотурбинная установка по п. 14, в которой стопорное кольцо выполнено из стали.

18. Способ охлаждения компонентов газотурбинной установки, включающий следующие операции:

пропускание сжатого воздуха в кольцевой канал, образованный между наружной поверхностью жаровой трубы камеры сгорания газотурбинной установки и средней трубой или наружным корпусом камеры сгорания, при этом жаровая труба выполнена с возможностью приема и пропускания потока горячего рабочего газа из зоны горения камеры сгорания; и

пропускание части сжатого воздуха, находящегося в кольцевом канале, через множество отверстий для ударяющих струй в жаровой трубе таким образом, что сжатый воздух попадает на компонент, открытый потоку горячего рабочего газа, для принудительного охлаждения этого компонента.

19. Способ по п. 18, в котором указанный компонент представляет собой стопорное кольцо, заслоняющее держатель сегментов камеры сгорания от потока горячего рабочего газа.

20. Способ по п. 19, в котором в держателе сегментов расположена верхняя часть жаровой трубы, а между держателем сегментов и жаровой трубой образована продувочная полость, при этом часть сжатого воздуха направляют через отверстия для ударяющих струй в продувочную полость для очистки ее от горячего рабочего газа.