КАМЕРА СГОРАНИЯ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКУЮ КАМЕРУ СГОРАНИЯ Российский патент 2020 года по МПК F23R3/12 

Область техники

Настоящее изобретение относится к камере сгорания газотурбинного двигателя и к газотурбинному двигателю.

Уровень техники

Камера сгорания газотурбинного двигателя принимает сжатый воздух, выпускаемый из компрессора, сжигает топливо, смешанное со сжатым воздухом, для получения газа сгорания и подает полученный газ сгорания в турбину. Как правило, топливо впрыскивается в камеру сгорания из множества топливных форсунок. В связи с этим в некоторых случаях конструкционный материал горелки имеет полость или канал для распределения топлива на каждую топливную форсунку (см. публикацию JP 2008–025910 A и т.п.).

Сущность изобретения

Конструкционный материал горелки контактирует со сжатым воздухом, подаваемым из компрессора. Сжатый воздух, подаваемый из компрессора, имеет высокую температуру приблизительно 450 градусов. При этом топливо, подаваемое в полость, имеет нормальную температуру приблизительно десять или более градусов. Таким образом, между топливом и сжатым воздухом существует большая разница температур. В связи с этим вблизи полости конструкционный материал подвергается тепловому напряжению, обусловленному разницей температур между топливом и сжатым воздухом. Тепловое напряжение может быть уменьшено путем предварительного нагрева топлива и подачи предварительно нагретого топлива в полость. Однако для предварительного нагрева топлива требуется оборудование и энергия.

К тому же, полость образуют, например, путем создания углубления в конструкционном материале горелки и установки плоской крышки над углублением. В этом случае, когда граница между конструкционным материалом и крышкой имеет вкладываемую конструкцию, контактные поверхности между конструкционным материалом и крышкой имеют L–образное поперечное сечение. Крышка должна быть надежно закреплена путем приваривания к конструкционному материалу. Однако, если L–образные контактные поверхности между конструкционным материалом и крышкой остаются частично несваренными, несоединенные контактные поверхности обращены к углу полости. Можно сказать, что несоединенные контактные поверхности образуют так называемую трещину. При наличии трещины на поверхности стенки полости, в частности, на углу, в котором концентрируется тепловое напряжение, зона сварки подвергается значительному напряжению через трещину.

Настоящее изобретение обеспечивает камеру сгорания газотурбинного двигателя и газотурбинный двигатель, которые выполнены с возможностью уменьшения теплового напряжения, оказываемого на зону сварки полости, образованной в конструкционном материале горелки.

В соответствии с первым объектом настоящего изобретения создана камера сгорания газотурбинного двигателя, которая принимает сжатый воздух, выпускаемый из компрессора, смешивает сжатый воздух с топливом, сжигает смесь из сжатого воздуха и топлива для получения газа сгорания и подает полученный газ сгорания в турбину, причем камера сгорания содержит внутренний цилиндр, в котором образована камера сгорания; внешний цилиндр, охватывающий внутренний цилиндр и образующий цилиндрический внешний круговой канал потока между внешним цилиндром и внутренним цилиндром для обеспечения прохождения сжатого воздуха; и горелку, которая установлена на конце внешнего цилиндра, причем конец расположен с противоположной стороны относительно стороны, где находится турбина, и которая обращена в пространство камеры сгорания. Горелка включает в себя множество топливных форсунок, выполненных с возможностью впрыска топлива, и полость, выполненную с возможностью распределения топлива по топливным форсункам. Полость ограничена канавкой, образованной в конструкционном материале горелки для создания перепада уровней в отверстии, и крышкой, установленной на перепаде уровней для закрытия канавки. Крышка образована перемычкой и фланцем и соединена путем сварки с горелкой таким образом, чтобы иметь L–образное или U–образное поперечное сечение, причем перемычка обращена к нижней поверхности канавки и закрывает отверстие в канавке, а фланец проходит в направлении глубины канавки от края перемычки и установлен на перепаде уровней. Если смотреть в поперечном сечении, перпендикулярном канавке, внутренняя поверхность со стороны крышки, которая представляет собой внутреннюю поверхность фланца, образующую боковую поверхность полости, находится на одном уровне с внутренней поверхностью со стороны канавки, которая представляет собой внутреннюю поверхность канавки, образующую боковую поверхность полости. Граница между внутренней поверхностью со стороны крышки и внутренней поверхностью со стороны канавки находится на расстоянии от первого угла полости, который расположен между внутренней поверхностью со стороны крышки и внутренней поверхностью перемычки, причем внутренняя поверхность образует верхнюю поверхность полости.

Предпочтительно, перемычка крышки включает в себя тонкий участок, который тоньше, чем участок, смежный с тонким участком перемычки.

Предпочтительно, верхняя поверхность полости, образованная перемычкой, имеет углубление, которое образует тонкий участок.

Предпочтительно, внутренняя поверхность углубления находится на одном уровне с внутренней поверхностью канавки, и граница между внутренней поверхностью углубления и внутренней поверхностью канавки находится на расстоянии от второго угла полости, образованного углублением.

Предпочтительно, полость соединена с источником подачи топлива непосредственно, а не через оборудование для нагрева топлива.

Предпочтительно, сварка выполняется способом лазерной сварки или способом электронно–лучевой сварки.

Предпочтительно, глубина проплавления, обеспечиваемая сваркой, превышает ширину шва.

Согласно второму объекту изобретения создан газотурбинный двигатель, содержащий компрессор, выполненный с возможностью сжатия воздуха для получения сжатого воздуха; вышеописанную камеру сгорания, которая принимает сжатый воздух, выпускаемый из компрессора, смешивает сжатый воздух с топливом и сжигает смесь из сжатого воздуха и топлива для получения газа сгорания; и турбину, выполненную с возможностью приведения в действие газом сгорания, подаваемым из указанной камеры сгорания.

Настоящее изобретение позволяет уменьшить тепловое напряжение, оказываемое на зону сварки полости, образованной в конструкционном материале горелки.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - схематическое изображение, иллюстрирующее примерную конфигурацию газотурбинной установки, в которой применена камера сгорания газотурбинного двигателя в соответствии с первым вариантом выполнения настоящего изобретения;

Фиг. 2 - схематическое изображение, иллюстрирующее конфигурацию камеры сгорания газотурбинного двигателя в соответствии с первым вариантом выполнения настоящего изобретения;

Фиг. 3 - схематическое изображение, иллюстрирующее конфигурацию основных частей камеры сгорания газотурбинного двигателя, проиллюстрированной на Фиг. 2;

Фиг. 4 - схематическое изображение, иллюстрирующее конфигурацию торцевой крышки для камеры сгорания газотурбинного двигателя, проиллюстрированной на Фиг. 2;

Фиг. 5 - вид в сечении, взятый по линии V–V, показанной на Фиг. 4;

Фиг. 6 - увеличенный вид участка VI, показанного на Фиг. 5;

Фиг. 7 - частичный вид в сечении основной горелки камеры сгорания газотурбинного двигателя, проиллюстрированной на Фиг. 2;

Фиг. 8 - увеличенный вид участка VIII, показанного на Фиг. 7, или увеличенный вид основных частей; и

Фиг. 9 - вид в сечении, взятый вдоль линии IX–IX, показанной на Фиг. 8.

Описание предпочтительных вариантов выполнения изобретения

Варианты выполнения настоящего изобретения будут описаны со ссылкой на сопровождающие чертежи.

Газотурбинный двигатель

Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение, иллюстрирующее примерную конфигурацию газотурбинной установки, в которой применена камера сгорания газотурбинного двигателя в соответствии с первым вариантом выполнения настоящего изобретения. Газотурбинный двигатель, проиллюстрированный на Фиг. 1, представляет собой первичный двигатель, который приводит в действие нагрузочное оборудование (не проиллюстрировано), и включает в себя компрессор 10, камеру 20 сгорания газотурбинного двигателя, далее кратко называемую камерой сгорания, турбину 30 и выпускную камеру 35. Отсек компрессора 10 или компрессорный отсек 11 поддерживается стойкой 12. Отсек турбины 30 или турбинный отсек 31 поддерживается стойкой 32. Выпускная камера 35 поддерживается стойкой 38. Нагрузочное оборудование обычно представляет собой генератор. Однако в некоторых случаях нагрузочным оборудованием является насос. В общем газовая турбина может упоминаться как «газотурбинный двигатель». В таком случае турбина может упоминаться как «газовая турбина».

Компрессор 10 включает в себя воздухозаборник 13 и входной направляющий аппарат (IGV) 14. Воздухозаборник 13 всасывает воздух. Входной направляющий аппарат 14 расположен в компрессорном отсеке 11. Лопатки 15 статора и лопатки 16 ротора поочередно расположены в продольном направлении или в осевом направлении ротора 5 за входным направляющим аппаратом 14. Камера 17 отбора расположена снаружи в радиальном направлении от ступенчатого участка, в котором поочередно расположены лопатки 15 статора и лопатки 16 ротора. Множество камер 20 сгорания расположены по кольцу на внешней окружности кожуха газовой турбины или турбинного отсека 31 между компрессором 10 и турбиной 30. Турбина 30 включает в себя множество лопаток 33 статора и множество лопаток 34 ротора. Лопатки 33 статора и лопатки 34 ротора расположены в турбинном отсеке 31 и чередуются в продольном направлении или в осевом направлении ротора 5, который описан ниже. Выпускная камера 35 расположена после турбинного отсека 31 через выпускной отсек 36. Выпускная камера 35 включает в себя выпускной диффузор 37, который примыкает к турбине 30.

Ротор или вращающийся вал 5 расположен так, чтобы проходить через центры компрессора 10, камеры 20 сгорания, турбины 30 и выпускной камеры 35. Конец ротора 5, который расположен в направлении компрессора 10, поддерживается с возможностью вращения подшипником 6. Конец ротора 5, который расположен в направлении выпускной камеры 35, поддерживается с возможностью вращения подшипником 7. Участок ротора 5, который принадлежит компрессору 10, выполнен так, что множество дисков установлены в осевом направлении, тогда как множество лопаток 16 ротора установлены на внешней окружности каждого из дисков. Участок ротора 5, который принадлежит турбине 30, выполнен так, что множество дисков установлены в осевом направлении, тогда как множество лопаток 34 ротора установлены на внешней окружности каждого из дисков. В примере, показанном на Фиг. 1, конец ротора 5, который расположен в направлении выпускной камеры 35, соединен в качестве выходного вала с приводным валом нагрузочного оборудования (не проиллюстрировано).

В вышеописанной конфигурации воздух, подаваемый в компрессор 10 из воздухозаборника 13, проходит через входной направляющий аппарат 14, решетку лопаток 15 статора и решетку лопаток 16 ротора, а затем сжимается для получения высокотемпературного сжатого воздуха высокого давления. В камере 20 сгорания топливо, подаваемое из топливной системы, смотри Фиг. 3, смешивается со сжатым воздухом, подаваемым из компрессора 10, и сжигается для получения высокотемпературного газа сгорания. Затем полученный высокотемпературный газ сгорания подается в турбину 30. Хотя в качестве топлива может использоваться жидкое топливо, предполагается, что в настоящем варианте выполнения в качестве топлива используется газообразное топливо. Ротор 5 приводится во вращение, когда высокотемпературный газ сгорания высокого давления, который представляет собой рабочую текучую среду, полученную в камере 20 сгорания, проходит через решетку лопаток 33 статора и решетку лопаток 34 ротора в турбине 30. Выходная мощность турбины 30 частично используется в качестве движущей мощности для компрессора 10, а оставшаяся выходная мощность используется в качестве движущей мощности для нагрузочного оборудования 4. После использования для приведения в действие турбины 30 газ сгорания выпускается через выпускную камеру 35 в качестве отработанного газа. Хотя в настоящем варианте выполнения проиллюстрирована одновальная газовая турбина, настоящее изобретение также применимо к двухвальной газовой турбине. Двухвальная газовая турбина включает в себя турбину высокого давления и турбину низкого давления, и вращающиеся валы турбины высокого давления и турбины низкого давления отделены друг от друга. Турбина высокого давления соосно соединена с компрессором, а турбина низкого давления соосно соединена с нагрузочным оборудованием.

Камера сгорания газотурбинного двигателя

Фиг. 2 представляет собой схематическое изображение, иллюстрирующее конфигурацию камеры сгорания газотурбинного двигателя. Фиг. 3 представляет собой схематическое изображение, иллюстрирующее конфигурацию основных частей камеры сгорания газотурбинного двигателя, проиллюстрированной на Фиг. 2. Обратимся к Фиг. 2 и 3, множество камер 20 сгорания газотурбинного двигателя или камер 20 сгорания расположены на кожухе газотурбинного двигателя в окружном направлении кожуха. Каждая камера 20 сгорания включает в себя, например, внутренний цилиндр 21 или жаровую трубу камеры сгорания, внешний цилиндр 22 или патрубок потока, горелку 23 и выходной цилиндр 24 или переходный элемент, смотри Фиг. 2.

Внутренний цилиндр 21 представляет собой цилиндрический элемент, который внутри образует пространство 21a камеры сгорания, смотри Фиг. 3. Внутренний цилиндр 21 отделяет сжатый воздух, который подается из компрессора 10 и течет во внешнем круговом канале P1 потока, от газа сгорания, который образуется в пространстве 21a камеры сгорания. Конец внутреннего цилиндра 21, который расположен в направлении турбины или с правой стороны на Фиг. 3, вставлен в выходной цилиндр 24, смотри Фиг. 2. Выходной цилиндр 24 представляет собой элемент, который подает газ сгорания, который образуется в пространстве 21a камеры сгорания, в турбину 30. Конец выходного цилиндра 24, который расположен в направлении турбины, выходит в кольцевой канал потока рабочей текучей среды, в который обращены лопатки 33 статора и лопатки 34 ротора в турбине 30. Обводная труба 25, смотри Фиг. 2, соединена с выходным цилиндром 24. Обводная труба 25 обеспечена обводным клапаном 26, смотри Фиг. 2.

Внешний цилиндр 22 охватывает внешнюю окружность внутреннего цилиндра 21 и образует цилиндрический внешний круговой канал P1 потока, который обеспечивает прохождение сжатого воздуха, между внешним цилиндром 22 и внутренним цилиндром 21. Применяемая конфигурация обеспечивает прохождение сжатого воздуха через внешний круговой канал P1 потока для конвекционного охлаждения внутреннего цилиндра 21. Кроме того, внешний цилиндр 22 включает в себя фланец 22a, смотри Фиг. 2, расположенный на конце внешнего цилиндра 22 со стороны турбины, и прикреплен к кожуху газотурбинного двигателя с помощью фланца 22a. Конец внешнего цилиндра 22, который расположен со стороны, противоположной стороне турбины, или с левой стороны на Фиг. 2, закрыт горелкой 23, включающей в себя торцевую крышку 40, например. Во внешней окружной поверхности внутреннего цилиндра 21 образовано множество отверстий (не проиллюстрировано). Сжатый воздух, текущий во внешнем круговом канале P1 потока, частично подается в пространство 21a камеры сгорания через множество отверстий, образованных во внутреннем цилиндре 21, и используется для охлаждения пленки на внутренней окружной поверхности внутреннего цилиндра 21. Оставшийся сжатый воздух, за исключением сжатого воздуха, используемого для охлаждения пленки внутреннего цилиндра 21, течет во внешнем круговом канале P1 потока, ударяется о торцевую крышку 40 и разворачивается, а затем подается в горелку 23. Сжатый воздух, подаваемый в горелку 23, впрыскивается в пространство 21a камеры сгорания вместе с топливом, а затем топливо со сжатым воздухом сжигаются.

Горелка

Горелка 23, включающая в себя торцевую крышку 40, основную горелку 50 и пилотную горелку 60, установлена на конце внешнего цилиндра 22 с противоположной стороны относительно стороны турбины и обращена в пространство 21a камеры сгорания, закрывая конец внешнего цилиндра 22 с противоположной стороны относительно стороны турбины.

Торцевая крышка

Фиг. 4 представляет собой схематическое изображение, иллюстрирующее конфигурацию торцевой крышки. Фиг. 5 представляет собой вид в сечении, взятый вдоль линии V–V, показанной на Фиг. 4. Фиг. 6 представляет собой увеличенный вид участка VI, показанного на Фиг. 5.

Торцевая крышка 40 также называется колпаком. Торцевая крышка 40 включает в себя участок 41 основного корпуса, вставной участок 42, топливную форсунку 44, смотри Фиг. 3, и полость 45. Участок 41 основного корпуса имеет форму кольцевого фланца, имеющего центральное отверстие 41a. Вставной участок 42 имеет цилиндрическую форму меньшего диаметра, чем участок 41 основного корпуса, и выступает в направлении пространства 21a камеры сгорания от участка 41 основного корпуса. В то время как вставной участок 42 вставлен в отверстие во внешнем цилиндре 22, участок 41 основного корпуса закреплен болтами или иным образом закреплен на внешнем цилиндре 22. Цилиндрическое пространство между внутренним цилиндром 21 и внутренней окружной поверхностью вставного участка 42 образует наиболее нижнюю по потоку область внешнего кругового канала P1 потока. В настоящем варианте выполнения внутренняя окружность внешнего цилиндра 22 обеспечена перепадом уровней, в который устанавливается вставной участок 42, и внутренняя окружная поверхность вставного участка 42 находится на одном уровне с внутренней окружной поверхностью внешнего цилиндра 22. Кроме того, угловой участок внутренней поверхности торцевой крышки 40 или, в частности, угловой участок, расположенный между внутренней окружной поверхностью вставного участка 42 и торцевой поверхностью участка 41 основного корпуса, которая обращена в пространство 21a камеры сгорания, имеет скругленную форму для сглаживания изменения направления потока сжатого воздуха, проходящего через внешний круговой канал P1 потока. Кроме того, с торцевой крышкой 40 соединен топливный канал 43, смотри Фиг. 3. Топливный канал 43 включает в себя топливную трубу 43a, продолжающуюся от внешней окружной поверхности торцевой крышки 40, и фланец 43b, расположенный на конце топливной трубы 43a. Топливная форсунка 44, смотри Фиг. 3, впрыскивает топливо во внешний круговой канал P1 потока и также называется форсункой колпака или носиком. Множество топливных форсунок 44 выступают из углового участка внутренней поверхности торцевой крышки 40 таким образом, что они обращены во внешний круговой канал P1 потока, и расположены по окружности с заданным интервалом.

Полость 45 представляет собой канал для распределения топлива по топливным форсункам 44 и ограничена канавкой 46, образованной во внешней поверхности участка 41 основного корпуса торцевой крышки 40, которая представляет собой конструкционный материал горелки 23, и крышкой 47, закрывающей канавку 46. Канавка 46 имеет кольцевую форму, так что она окружает окружность центрального отверстия 41a в участке 41 основного корпуса торцевой крышки 40 и обеспечена перепадом 46a уровней, смотри Фиг. 6, в отверстии в торцевой поверхности участка 41 основного корпуса торцевой крышки 40, причем отверстие расположено с противоположной стороны относительно стороны, где находится пространство 21a камеры сгорания. Хотя конструкция крышки 47 будет подробно описана ниже, крышка 47 имеет кольцевую форму для соответствия канавке 46, и устанавливается в перепад 46a уровней в отверстии в канавке 46 для закрытия отверстия в канавке 46. Канавка 46, то есть полость 45, находится в сообщении с топливным каналом 43 и каждой топливной форсункой 44, так что топливо, попадающее из топливного канала 43 в полость 45, распределяется на каждую топливную форсунку 44. Система подачи топлива не включает в себя оборудование для нагрева топлива. В связи с этим полость 45 соединена с источником F подачи топлива, смотри Фиг. 3, непосредственно, а не через оборудование для нагрева топлива. Таким образом, в полость 45 подается топливо, имеющее нормальную температуру приблизительно десять или более градусов.

Как отмечено ранее, на границе между крышкой 47 и участком 41 основного корпуса крышки 40 применяется вкладываемая конструкция с использованием перепада 46a уровней. В связи с этим контактные поверхности или обращенные друг к другу поверхности сопряженных участков между крышкой 47 и участком 41 основного корпуса имеют L–образную форму, если смотреть в поперечном сечении, перпендикулярном канавке 46 основного корпуса, или в разрезе вдоль плоскости, проходящей через осевую линию C, смотри Фиг. 5, торцевой крышки 40, как отмечено ранее, смотри Фиг. 6. Крышка 47 надежно закреплена путем сварки на участке 41 основного корпуса. Сварка выполняется вдоль внутренней и внешней окружных поверхностей кольцевой крышки 47. На Фиг. 6 закрашенные участки показывают зоны сварки, полученные проплавлением, тогда как белые пунктирные линии показывают контактные поверхности или обращенные друг к другу поверхности между крышкой 47 и участком 41 основного корпуса в несваренном состоянии. В связи с этим зоны сварки, полученные проплавлением, продолжаются в осевом направлении торцевой крышки 40 или в направление слева направо на Фиг. 6 вдоль внутренней или внешней окружной поверхности крышки 47. Кроме того, в настоящем варианте выполнения для соединения участка 41 основного корпуса с крышкой 47 применяется способ электронно–лучевой сварки. Следует отметить, что альтернативно может применяться способ лазерной сварки. Применение способа электронно–лучевой сварки позволяет механизировать процесс сварки участка 41 основного корпуса с крышкой 47. Кроме того, при применении способа электронно–лучевой сварки или способа лазерной сварки для соединения участка 41 основного корпуса с крышкой 47 глубина L проплавления, обеспечиваемая сваркой, больше, чем ширина W шва. На L–образных контактных поверхностях между участком 41 основного корпуса и крышкой 47 может частично образовываться участок X, на котором контактные поверхности не соединяются друг с другом, то есть участок, который обращен в полость 45 и включен в участок, продолжающийся в радиальном направлении торцевой крышки 40 в полость 45 от внутренней и внешней окружных поверхностей крышки 47. В настоящем варианте выполнения этот участок X может образовываться, так как ширина W шва является небольшой.

Далее будет подробно описана конфигурация крышки 47. Крышка 47 образована перемычкой 47a и фланцем 47b таким образом, чтобы образовывать L–образное или U–образное поперечное сечение, перпендикулярное канавке 46, в настоящем варианте выполнения L–образное поперечное сечение. Перемычка 47a представляет собой участок, закрывающий отверстие в канавке 46, и проходит в направлении, перпендикулярном осевой линии C торцевой крышки 40 так, что она обращена к нижней поверхности канавки 46, то есть поверхности, которая обращена к отверстию в канавке 46 и расположена с правой стороны на Фиг. 5 и 6. Фланец 47b представляет собой вставной участок для установки в перепад 46a уровней канавки 46, проходит в направлении глубины канавки 46 от края перемычки 47a или от внутреннего окружного края в данном примере и соединен путем сварки с участком 41 основного корпуса, как отмечено ранее. Если смотреть в сечении, перпендикулярном канавке 46, внутренняя поверхность 47c со стороны крышки, которая представляет собой внутреннюю поверхность фланца 47b, образующую боковую поверхность полости 45, или поверхность, обращенную наружу в радиальном направлении торцевой крышки 40 в данном примере, находится на одном уровне с внутренней поверхностью 46b со стороны канавки, которая представляет собой внутреннюю поверхность канавки 46, образующую боковую поверхность полости 45, так как фланец 47b установлен в перепад 46a уровней. В связи с этим граница 45a между внутренней поверхностью 47c со стороны крышки и внутренней поверхностью 46b со стороны канавки расположена на расстоянии или смещена в направлении осевой линии C от первого угла 47e полости 45, который расположен между внутренней поверхностью 47c со стороны крышки и верхней поверхностью 47d полости 45, образованной перемычкой 47a. Первый угол 47e имеет скругленную форму, и это также справедливо для второго угла 47i и других угловых участков, описанных ниже.

Кроме того, верхняя поверхность 47d перемычки 47a крышки 47 имеет углубление 47f. За счет создания углубления 47f для углубления крышки 47 образуется тонкий участок 47g. Толщина t1 тонкого участка 47g меньше, чем толщина t2 смежного участка, смежного с тонким участком 47g перемычки 47a. Здесь «смежный участок» расположен смежно с тонким участком 47g, и торцевая поверхность «смежного участка», которая расположена с противоположной стороны относительно стороны, где находится пространство 21a камеры сгорания, расположена на одном уровне с торцевой поверхностью тонкого участка 47g, причем торцевая поверхность аналогичным образом расположена с противоположной стороны относительно стороны, где находится пространство 21a камеры сгорания. Углубление 47f расположено снаружи в радиальном направлении торцевой крышки 40 внутри полости 45 и установлено в перепад 46a уровней. Соответственно, расположенная снаружи в радиальном направлении внутренняя поверхность 47h углубления 47f находится на одном уровне с расположенной снаружи в радиальном направлении внутренней поверхностью 46c канавки 46. Граница 45b между внутренней поверхностью 46h углубления 47f и внутренней поверхностью 46c канавки 46 расположена на расстоянии или смещена в направлении осевой линии C от второго угла 47i полости 45, который расположен между внутренней поверхностью 47h, образованной углублением 47f, и верхней поверхностью 47d.

Основная горелка

Фиг. 7 представляет собой частичный вид в сечении основной горелки. Фиг. 8 представляет собой увеличенный вид участка VIII, показанного на Фиг. 7, или увеличенный вид основных частей. Фиг. 9 представляет собой вид в сечении, взятый вдоль линии IX–IX, показанной на Фиг. 8. Линия IX–IX показывает внешнюю окружную поверхность цилиндра, отцентрированного вокруг центральной оси камеры сгорания, и Фиг. 9 соответствует чертежу двумерного увеличенного цилиндрического сечения. Кроме того, Фиг. 9 представляет внешний вид вблизи выпрямительной пластины 54, описанной ниже, вместо ее вида в сечении. Основная горелка 50 включает в себя основной корпус 51, топливную форсунку 52, и выпрямительную пластину 54.

Основной корпус 51 имеет форму цилиндра, имеющего центральное отверстие 51a. Основной корпус 51 включает в себя фланец 51A, основание 51B форсунок и полость 51D. Фланец 51A имеет форму диска, имеющего центральное отверстие 51a в центре. Основание 51B форсунок имеет меньший диаметр, чем фланец 51A, и имеет форму цилиндра, центр которого обеспечен центральным отверстием 51a. Основание 51B форсунок выступает в пространство 21a камеры сгорания от торцевой поверхности фланца 51A, причем торцевая поверхность расположена в направлении пространства 21a камеры сгорания, или с правой стороны на Фиг. 7. Основной корпус 51 выполнен так, что фланец 51A закреплен болтами или иным образом закреплен на торцевой крышке 40, тогда как основание 51B форсунок вставлено в центральное отверстие 41a в торцевой крышке 40 со стороны, противоположной стороне, где находится пространство 21a камеры сгорания. Кроме того, фланец 51A соединен с топливным каналом 51C, смотри Фиг. 3. Топливный канал 51C включает в себя топливную трубу 51Ca, продолжающуюся от внешней окружной поверхности фланца 51A, и фланец 51Cb, расположенный на конце топливной трубы 51Ca. Полость 51D представляет собой канал для распределения топлива на множество топливных форсунок 52 и образована по кольцу во фланце 51A, который представляет собой конструкционный материал горелки 23, таким образом, чтобы окружать центральное отверстие 51a. Полость 51D находится в сообщении с топливным каналом 51C и каждой топливной форсункой 52, так что топливо, попадающее в полость 51D из топливного канала 51C, распределяется на каждую топливную форсунку 52. Как отмечено ранее, система подачи топлива не включает в себя оборудование для нагрева топлива. Кроме того, полость 51D соединена с источником F подачи топлива, смотри Фиг. 3, непосредственно, а не через оборудование для нагрева топлива. Таким образом, в полость 51D подается топливо, имеющее нормальную температуру приблизительно десять или более градусов. Хотя подробно не проиллюстрировано, конфигурация, применяемая в некоторых случаях, может быть такой, что топливные форсунки 52 разделены на множество групп, и каналы подачи топлива отдельно обеспечены для групп, и дополнительно впрыск и прекращение подачи топлива регулируются клапанами на основе отдельных групп. В таких случаях для отдельных групп может быть образовано множество кольцевых полостей, или одна кольцевая полость может быть разделена на множество полостей для отдельных групп.

Если смотреть из пространства 21a камеры сгорания, на основании 51B форсунок основного корпуса 51 образовано множество вытянутых в радиальном направлении щелей 51Ba. Щели 51Ba расположены радиально и по окружности с заданным интервалом. Как проиллюстрировано на Фиг. 9, топливные форсунки 52 и щели 51Ba поочередно расположены в окружном направлении так, что каждая из щелей 51Ba отделяет смежные топливные форсунки 52 друг от друга по окружности. Кроме того, на основании 51B форсунок основного корпуса 51 расположено множество продолжающихся в радиальном направлении сквозных отверстий 51Bb по окружности с заданным интервалом. Поперечное сечение сквозных отверстий 51Bb имеет форму овала, имеющего длинную ось, вытянутую по окружности. Однако поперечное сечение сквозных отверстий 51Bb может иметь любую форму, если она является плавной без углов, круглую форму или форму овала, имеющего длинную ось, вытянутую по окружности. Каждая из щелей 51Ba проходит в направлении фланца 51A от торцевой поверхности основания 51B форсунок, причем торцевая поверхность расположена в направлении пространства 21a камеры сгорания, и соединена со сквозными отверстиями 51Bb. Сквозные отверстия 51Bb и щели 51Ba соответствуют друг другу в соотношении один к одному. Как описано выше, участок основания 51B форсунок, который расположен в направлении фланца 51A, а не сквозных отверстий 51Bb, выполнен за одно целое, тогда как участок основания 51B форсунок, который расположен в направлении пространства 21a камеры сгорания, а не сквозных отверстий 51Bb, разделен по окружности на множество участков щелями 51Ba.

Кроме того, на внешней окружной поверхности основания 51B форсунок образована вытянутая по окружности полость 51Bc. Полость 51Bc, которая образована по кольцу, окружая центральное отверстие 51a в основном корпусе 51, утончает радиально внешний участок топливного канала 52a, описанного ниже, основания 51B форсунок, и сокращает расстояние между топливным каналом 52a и внешней окружной поверхностью основания 51B форсунок. Форма поперечного сечения полости 51Bc является такой, что поверхность стенки в направлении пространства 21a камеры сгорания наклонена наружу в радиальном направлении в пространство 21a камеры сгорания, тогда как противоположная поверхность стенки расположена вдоль плоскости, перпендикулярной осевой линии C основного корпуса 51.

Топливные форсунки 52 впрыскивают топливо в пространство 21a камеры сгорания через соответствующие трубы 55 горелки, смотри Фиг. 3. Топливные форсунки 52 также называются основными форсунками. Топливные форсунки 52 выполнены так, что торцевая сторона основания вставляется в основание 51B форсунок, тогда как свободный конец выступает в направлении пространства 21a камеры сгорания от торцевой поверхности основания 51B форсунок, причем торцевая поверхность обращена в пространство 21a камеры сгорания. Топливные форсунки 52 закреплены путем сварки на торцевой поверхности основания 51B форсунок, причем торцевая поверхность обращена в пространство 21a камеры сгорания. Кроме того, средние участки топливных форсунок 52 соединены друг с другом выпрямительной пластиной 54, которая окружает топливные форсунки 52. Выпрямительная пластина 54 также соединена путем сварки с топливными форсунками 52.

Как отмечено ранее, топливные форсунки 52 расположены таким образом, что одна топливная форсунка 52 расположена между смежными по окружности щелями 51Ba. Если смотреть из пространства 21a камеры сгорания, топливные форсунки 52 расположены по кругу. Каждая из топливных форсунок 52 внутри включают в себя один топливный канал 52a. Впуск топливного канала 52a выходит в полость 51D, а выпуск выходит в свободный конец топливной форсунки 52. В настоящем варианте выполнения каждая из топливных форсунок 52 имеет двойную трубчатую конструкцию для по меньшей мере участка, проходящего через основание 51B форсунок, и включает в себя внешнюю трубу 52c, которая расположена снаружи внутренней трубы 52b, служащей в качестве топливного канала 52a. Внешняя труба 52c образует цилиндрический воздушный теплоизоляционный слой между внутренней трубой 52b и внешней трубой 52c.

Пилотная горелка

Пилотная горелка 60, смотри Фиг. 3, включает в себя основной корпус 61 и топливную форсунку 62. Основной корпус 61 включает в себя фланец 63, основание 64 форсунки и топливный канал 65. Основной корпус 61 выполнен так, что фланец 63 закреплен болтами или иным образом закреплен на основном корпусе 51, тогда как основание 64 форсунки вставлено в центральное отверстие 51a в основном корпусе 51 основной горелки 50 со стороны, противоположной стороне, где находится пространство 21a камеры сгорания. Топливная форсунка 62, также называемая пилотной форсункой, выступает в направлении пространства 21a камеры сгорания от основания 64 форсунки, и расположена в центре основной горелки 50, имеющей расположенные по кольцу топливные форсунки 62. Топливный канал 65 проходит от фланца 63 и соединен с топливной форсункой 62. Топливо, подаваемое из топливного канала 65, впрыскивается из топливной форсунки 62 в пространство 21a камеры сгорания через пилотный конус 66. Как отмечено ранее, система подачи топлива не включает в себя оборудование для нагрева топлива, и в связи с этим в топливную форсунку 62 подается топливо, имеющее нормальную температуру приблизительно десять или более градусов.

Работа

Во время работы газотурбинного двигателя воздух всасывается в компрессор 10 и сжимается. Затем полученный сжатый воздух высокого давления выпускается из компрессора 10. Сжатый воздух, выпускаемый из компрессора 10, подается в камеру 20 сгорания, и топливо, подаваемое из топливной системы и смешанное со сжатым воздухом, сжигается, смотри Фиг. 3. Вследствие этого полученный высокотемпературный газ сгорания приводит в действие турбину 30. Затем вращательная выходная мощность турбины 30 приводит в действие нагрузочное оборудование.

Преимущества

(1) Конструкция, применяемая в настоящем варианте выполнения, является такой, что крышка 47 полости 45 образована перемычкой 47a и фланцем 47b для обеспечения L–образного поперечного сечения, тогда как граница 45a между внутренней поверхностью 47c со стороны крышки и внутренней поверхностью 46b со стороны канавки полости 45 смещена от первого угла 47e полости 45. Граница 45a может находиться на расстоянии от зоны сварки, полученной проплавлением, и может превратиться в треснувший несваренный участок X. Однако напряжение, оказываемое на зону сварки через участок X, может быть уменьшено путем смещения участка X от угла или первого угла 47e поверхности стенки полости 45, в котором особо концентрируется тепловое напряжение. Как описано выше, тепловое напряжение, оказываемое на зону сварки полости 45 горелки 23, может быть уменьшено для повышения надежности горелки 23.

(2) Перемычка 47a крышки 47 включает в себя тонкий участок 47g. В связи с этим при воздействии напряжения вблизи полости 45 тонкий участок 47g деформируется до деформации других участков для уменьшения напряжения, оказываемого на несваренный участок X. Это также способствует повышению надежности горелки 23. Кроме того, углубление 47f, образующее тонкий участок 47g, расположено в направлении полости 45 перемычки 47a, а именно расположено со стороны, которая находится вблизи канала потока сжатого воздуха и подвергается значительной деформации. В связи с этим может быть достигнут лучший эффект поглощения напряжения, чем в случае, когда углубление 47f расположено с противоположной стороны относительно стороны, где находится полость 45. Однако, поскольку достигнуто вышеописанное основное преимущество (1), тонкий участок 47g требуется не всегда. Возможно применение конфигурации, в которой, например, толщина перемычки 47a постоянна.

(3) Хотя в настоящем варианте выполнения перемычка 47a имеет L–образную форму, углубление 47f, образующее тонкий участок 47g, расположено вблизи угла в полости 45, так что внутренняя поверхность 47h углубления 47f находится на одном уровне с внутренней поверхностью 46c канавки 46. Когда, как описано выше, граница 45b между внутренними поверхностями 47h и 46c расположена на расстоянии от второго угла 47i полости 45, образованного углублением 47f, возможно снижение теплового напряжения, оказываемого на зону сварки полости 45 горелки 23, как и в случае вышеуказанного преимущества (1).

(4) В настоящем варианте выполнения топливная система не включает в себя оборудование для нагрева топлива, и в полость 45 подается топливо, имеющее нормальную температуру. При этом сжатый воздух, подаваемый из компрессора 10, имеет температуру выше 400°C. Таким образом, тепловое напряжение, оказываемое на окружность полости 45, имеет тенденцию к увеличению из–за значительной разницы температур между топливом и сжатым воздухом. Вследствие этого особенно целесообразно применять конструкцию для уменьшения теплового напряжения, описанную в отношении вышеуказанного преимущества (1).

(5) В настоящем варианте выполнения ширина W сварного шва является небольшой, так как крышка 47 приварена способом электронно–лучевой сварки или способом лазерной сварки. В связи с этим несваренный участок X, вероятно, образуется на L–образных обращенных друг к другу участках между крышкой 47 и участком 41 основного корпуса торцевой крышки 40. В этом отношении также особенно целесообразно применять конструкцию для уменьшения теплового напряжения, описанную в отношении вышеуказанного преимущества (1). Кроме того, когда на крышке 47 образован тонкий участок 47g, ширина W шва является небольшой. Это позволяет уменьшить подвод тепла при сварке к тонкому участку 47g. То есть степень свободы при формообразовании крышки 47 может быть увеличена. Вследствие этого тонкий участок 47g может быть образован на крышке 47 надлежащим образом.

(6) Кроме того, в настоящем варианте выполнения в основании 51B форсунок основной горелки 50 образовано множество щелей 51Ba, так что каждая из них отделяет по окружности смежные топливные форсунки 52 друг от друга. В некоторых случаях распределение теплового напряжения может смещаться, когда топливо неравномерно распределяется на конкретные топливные форсунки 52, например, во время работы только с частичной нагрузкой. Даже в таких случаях, когда основание 51B форсунок частично разделено на основе топливных форсунок 52, разделенные участки основания 51B форсунок деформируются и наклоняются в окружном направлении, в результате чего часть усилия опрокидывания топливных форсунок 52 относительно основания 51B форсунок поглощается. Дополнительно, передача деформации между смежными топливными форсунками 52 может быть предотвращена щелями 51Ba. Вследствие этого напряжение, оказываемое на основание 51B форсунок и зону сварки для приваривания выпрямительной пластины 54 к топливным форсункам 52, может распределяться для уменьшения концентрации теплового напряжения на горелке 23. Однако щели 51Ba в основании 51B форсунок требуются не всегда, поскольку достигается вышеуказанное преимущество (1).

(7) Концы щелей 51Ba, которые расположены с противоположной стороны относительно стороны, где находится пространство 21a камеры сгорания, соединены со сквозными отверстиями 51Bb. Таким образом, концы щелей 51Ba имеют скругленную форму за счет внутренних окружных поверхностей сквозных отверстий 51Bb. При возникновении тепловой деформации напряжение концентрируется на концах щелей 51Ba. В связи с этим скругленные концы щелей 51Ba более эффективно уменьшают концентрацию напряжения. В частности, когда сквозные отверстия 51Bb имеют форму удлиненного по окружности овала, как показано на Фиг. 9, достигается лучший эффект распределения напряжения. Однако сквозные отверстия 51Bb в основании 51B форсунок требуются не всегда, поскольку достигается вышеуказанное преимущество (1).

(8) На внешней окружной поверхности основания 51B форсунок образована полость 51Bc. Это утончает участок между областью нахождения сжатого воздуха основания 51B форсунок и топливным каналом 52a или внешний окружной участок относительно топливного канала 52a. В результате может быть уменьшена теплоемкость участка. Это позволяет уменьшить разницу температур в конструкционном материале основания 51B форсунок вблизи топливного канала 52a. Вследствие этого концентрация напряжения может быть уменьшена более эффективно. Однако полость 51Bc в основании 51B форсунок требуется не всегда, поскольку достигается вышеуказанное преимущество (1).

(9) Для топливных форсунок 52 обеспечен цилиндрический воздушный теплоизоляционный слой. Это уменьшает передачу тепла между топливом, распределяемым через топливные форсунки 52, и материалом основания 51B форсунок. Это позволяет уменьшить тепловое напряжение, оказываемое на основание 51B форсунок из–за разницы температур между сжатым воздухом и топливом. Это преимущество также способствует уменьшению концентрации напряжения. Однако воздушный теплоизоляционный слой топливных форсунок 52 требуется не всегда, поскольку достигается вышеуказанное преимущество (1).

Примерные модификации

Вышеописанные примеры предполагают, что фланец 47b или тонкий участок 47g обеспечен для крышки 47 полости 45 в торцевой крышке 40. Однако такая конструкция также применима к полости, образованной в других конструкционных материалах горелки 23, например, полости 51D в основной горелке 50. В качестве примера приведен случай, когда крышка 47 имеет L–образную форму, если смотреть в поперечном сечении. Однако крышка 47 альтернативно может иметь U–образную форму, если смотреть в поперечном сечении, и может быть выполнена так, что фланец 47b прикреплен к внутренней и внешней окружностям, которые соединены перемычкой 47a.

Горелка включает в себя полость, распределяющую топливо по топливным форсункам. Полость ограничена канавкой, образованной в конструкционном материале горелки для создания перепада уровней в отверстии, и крышкой, установленной в перепад уровней для закрытия канавки. Крышка образована перемычкой, закрывающей отверстие в канавке, и фланцем, продолжающимся в направлении глубины канавки для установки в перепад уровней, и соединена путем сварки с конструкционным материалом таким образом, чтобы обеспечивать L–образное поперечное сечение. Если смотреть в поперечном сечении, перпендикулярном канавке, внутренняя поверхность со стороны крышки, которая представляет собой внутреннюю поверхность фланца, образующую боковую поверхность полости, находится на одном уровне с внутренней поверхностью со стороны канавки, которая представляет собой внутреннюю поверхность канавки, образующую боковую поверхность полости. Граница между внутренней поверхностью со стороны крышки и внутренней поверхностью со стороны канавки находится на расстоянии от первого угла полости, расположенного между внутренней поверхностью со стороны крышки и внутренней поверхностью перемычки, образующей потолочную поверхность полости. Настоящее изобретение уменьшает тепловое напряжение, оказываемое на зону сварки полости, образованной в конструкционном материале горелки. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Камера сгорания газотурбинного двигателя, которая принимает сжатый воздух, выпускаемый из компрессора, смешивает сжатый воздух с топливом, сжигает смесь из сжатого воздуха и топлива для получения газа сгорания и подает полученный газ сгорания в турбину, причем камера сгорания содержит:

внутренний цилиндр, в котором образована камера сгорания;

внешний цилиндр, охватывающий внутренний цилиндр и образующий цилиндрический внешний круговой канал потока между внешним цилиндром и внутренним цилиндром для обеспечения прохождения сжатого воздуха; и

горелку, которая установлена на конце внешнего цилиндра, причем конец расположен с противоположной стороны относительно стороны, где находится турбина, и которая обращена в пространство камеры сгорания, при этом:

горелка включает в себя множество топливных форсунок, выполненных с возможностью впрыска топлива, и полость, выполненную с возможностью распределения топлива по топливным форсункам,

полость ограничена канавкой, образованной в конструкционном материале горелки для создания перепада уровней в отверстии, и крышкой, установленной на перепаде уровней для закрытия канавки,

крышка образована перемычкой и фланцем и соединена путем сварки с горелкой таким образом, чтобы иметь L–образное или U–образное поперечное сечение, причем перемычка обращена к нижней поверхности канавки и закрывает отверстие в канавке, а фланец проходит в направлении глубины канавки от края перемычки и установлен на перепаде уровней,

если смотреть в поперечном сечении, перпендикулярном канавке, внутренняя поверхность со стороны крышки, которая представляет собой внутреннюю поверхность фланца, образующую боковую поверхность полости, находится на одном уровне с внутренней поверхностью со стороны канавки, которая представляет собой внутреннюю поверхность канавки, образующую боковую поверхность полости, и

граница между внутренней поверхностью со стороны крышки и внутренней поверхностью со стороны канавки находится на расстоянии от первого угла полости, который расположен между внутренней поверхностью со стороны крышки и внутренней поверхностью перемычки, причем внутренняя поверхность образует верхнюю поверхность полости.

2. Камера сгорания по п. 1, в которой перемычка крышки включает в себя тонкий участок, который тоньше, чем участок, смежный с тонким участком перемычки.

3. Камера сгорания по п. 2, в которой верхняя поверхность полости, образованная перемычкой, имеет углубление, которое образует тонкий участок.

4. Камера сгорания по п. 3, в которой

внутренняя поверхность углубления находится на одном уровне с внутренней поверхностью канавки, и

граница между внутренней поверхностью углубления и внутренней поверхностью канавки находится на расстоянии от второго угла полости, образованного углублением.

5. Камера сгорания по п. 1, в которой полость соединена с источником подачи топлива непосредственно, а не через оборудование для нагрева топлива.

6. Камера сгорания по п. 1, в которой сварка выполняется способом лазерной сварки или способом электронно–лучевой сварки.

7. Камера сгорания по п. 1, в которой глубина проплавления, обеспечиваемая сваркой, превышает ширину шва.

8. Газотурбинный двигатель, содержащий:

компрессор, выполненный с возможностью сжатия воздуха для получения сжатого воздуха;

камеру сгорания по п. 1, которая принимает сжатый воздух, выпускаемый из компрессора, смешивает сжатый воздух с топливом и сжигает смесь из сжатого воздуха и топлива для получения газа сгорания; и

турбину, выполненную с возможностью приведения в действие газом сгорания, подаваемым из указанной камеры сгорания.