Камера сгорания

 

Изобретение относится к машиностроению. Камера сгорания содержит корпус с расположенной внутри жаровой трубой с горелками, имеющими газораздающие отверстия. Снаружи корпуса расположен один или более топливных коллекторов, которые сообщены с горелками по меньшей мере одним подводящим стволом. Подводящий ствол сообщен по меньшей мере с одной горелкой посредством выполненных в его стенке напротив сопловых отверстий ствола в стенке горелки, сопловых и приемных отверстий. Между стенками ствола и горелки имеется зазор. Приемные отверстия выполнены больше сопловых. Диаметр сопловых отверстий d_c определяется из соотношения , где n_p, n_c - количество сообщенных друг с другом газораздающих и сопловых отверстий; d_p - диаметр газораздающих отверстий; ζ - суммарный коэффициент гидравлического сопротивления горелки, приведенный к скорости в газораздающих отверстиях. Внутренняя полость подводящего ствола разделена внутренними стенками на два или более каналов, каждый из которых сообщен с соответствующим топливным коллектором и по меньшей мере с одной горелкой. Такое выполнение камеры сгорания приводит к упрощению ее конструкции и повышению надежности. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к энергетическому, транспортному и химическому машиностроению и может быть использовано в газотурбинных установках.

Широко известны камеры сгорания, включающие корпус, внутри которого расположена жаровая труба с горелками, имеющими газораздающие отверстия, и расположенный снаружи корпуса топливный коллектор, который сообщен с горелками подводящими стволами [1]. В этих камерах сгорания имеется несколько горелок и каждая из них имеет свой подводящий ствол, сообщенный с одним коллектором. Недостатком такой конструкции является наличие большого количества отверстий в корпусе камеры сгорания, что в конечном итоге увеличивает массу корпуса и снижает надежность камеры сгорания.

Известна камера сгорания фирмы "SIEMENS", включающая корпус, внутри которого расположена жаровая труба с горелками, имеющими газораздающие отверстия, и расположенные снаружи корпуса один или более топливные коллекторы, которые сообщены с горелками по меньшей мере одним подводящим стволом [2].

В камере сгорания фирмы "SIEMENS", принятой за прототип, имеется шесть диффузионных горелок и шесть горелок предварительного смешения, объединенных попарно. Каждая диффузионная горелка сообщена с первым топливным коллектором отдельным подводящим стволом. Горелки предварительного смешения сообщены со вторым топливным коллектором одним подводящим стволом, от которого внутри корпуса к каждой горелке подведена отдельная труба и жестко соединена как с подводящим стволом, так и с горелкой.

Недостатком этой конструкции, также как и описанной выше, является большое количество отверстий в корпусе камеры сгорания. Кроме того, при работе камеры сгорания жаровая труба и трубы, сообщающие подводящий ствол с горелками предварительного смешения, имеют различные тепловые расширения, что снижает надежность камеры сгорания и приводит к усложнению ее конструкции - необходимости использования упругих компенсаторов.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в упрощении конструкции и повышении надежности камеры сгорания.

Техническим результатом, который может быть достигнут при осуществлении изобретения, является снижение стоимости изготовления и эксплуатации камеры сгорания.

Поставленная задача решена тем, что в известной камере сгорания, включающей корпус, внутри которого расположена жаровая труба с горелками, имеющими газораздающие отверстия, и расположенные снаружи корпуса один или более топливные коллекторы, которые сообщены с горелками по меньшей мере одним подводящим стволом, согласно изобретению подводящий ствол по меньшей мере с одной горелкой сообщен посредством выполненных в его стенке сопловых отверстий и приемных отверстий, которые выполнены напротив сопловых отверстий ствола в стенке горелки, причем между стенками ствола и горелки имеется зазор, а приемные отверстия больше, чем сопловые.

Возможен вариант, когда диаметр сопловых отверстий d_c определяется из соотношения где n_p n_c - количество сообщенных друг с другом газораздающих и сопловых отверстий; ζ - суммарный коэффициент гидравлического сопротивления горелки, приведенный к скорости в газораздающих отверстиях.

Возможен также вариант, когда внутренняя полость подводящего ствола разделена внутренними стенками на два или более каналов ствола, каждый из которых сообщен с соответствующим топливным коллектором и по меньшей мере с одной горелкой.

Суть изобретения состоит в том, что благодаря тому, что подводящий ствол с горелкой сообщен посредством выполненных в его стенке сопловых отверстий и приемных отверстий, которые выполнены напротив сопловых отверстий ствола в стенке горелки, и наличию зазора между стенками ствола и горелки, ствол и горелка не соединены друг с другом, т.е. могут свободно перемещаться друг относительно друга и в то же время обеспечивается подача топливного газа из подводящего ствола в горелку. Отсутствие соединения между стволом и горелкой решает проблему компенсации взаимных перемещений ствола и горелки вследствие тепловых расширений узлов камеры сгорания при ее проектировании. Кроме того, отсутствие соединения ствола и горелки позволяет при необходимости свободно извлекать подводящий ствол из корпуса при техническом обслуживании камеры сгорания без трудоемких операций разборки корпуса и горелки.

Благодаря тому, что приемные отверстия больше, чем сопловые, обеспечивается надежная подача топливного газа из подводящего ствола в горелку при их взаимных перемещениях вследствие тепловых расширений узлов камеры сгорания, а также при наличии неточностей изготовления и сборки деталей камеры сгорания. Кроме того, увеличение размеров приемных отверстий по сравнению с сопловыми должно компенсировать увеличение диаметра струи топливного газа при ее течении в зазоре между стенками подводящего ствола и горелки, а также отклонение топливной струи поперечным потоком воздуха в этом зазоре.

Таким образом, в общем виде условие "попадания" топливной струи в приемное отверстие можно записать так: d_п= 2Δ_изг+Δ_t+Δ_δ+Δ_w+d_c, (2) где d_n, d_c - диаметры приемных и сопловых отверстий; Δ_изг - смещение приемных и сопловых отверстий вследствие неточностей изготовления и сборки; Δ_t - смещение приемных и сопловых отверстий вследствие тепловых расширений узлов камеры сгорания при ее работе;
Δ_б - увеличение диаметра струи топливного газа при ее течении в зазоре;
Δ_w - отклонение оси топливной струи поперечным потоком воздуха в этом зазоре.

Коэффициент 2 у первого слагаемого в правой части формулы (2) отражает тот факт, что направление смещения приемных и сопловых отверстий вследствие неточностей изготовления и сборки заранее неизвестно, в то время как у остальных слагаемых это направление можно предсказать заранее.

Методы определения перечисленных выше величин известны и не выходят за рамки обычных инженерных расчетов.

Для обеспечения заданной скорости выхода топливных струй из газораздающих отверстий необходимо, чтобы струя газа, выходящая из сопловых отверстий ствола, обладала определенной энергией, т.е. имела достаточную начальную скорость. В противном случае газораздающие отверстия будут ограничивать расход газа через горелку ("запирать горелку"), что неизбежно приведет к утечкам топлива в зазор между стенками ствола и горелки. Такие утечки недопустимы, поскольку могут привести к перегреву элементов горелки и выходу ее из строя.

Необходимая скорость выхода топливных струй из сопловых отверстий ствола обеспечивается тем, что диаметр сопловых отверстий d_c определяется из соотношения (1), которое получено, исходя из следующего.

Для обеспечения заданного расхода топлива через горелку кинетическая энергия газовой струи, вытекающей из сопловых отверстий, должна быть не меньше суммарных потерь энергии в трактах горелки, т.е.

где
- потери напора на местных гидравлических сопротивлениях горелки.

Потерями на трение пренебрегают, т.к. тракты горелки относительно короткие.

Соотношение (3) можно записать в виде

где
ζ - суммарный коэффициент гидравлического сопротивления горелки, приведенный к скорости в газораздающих отверстиях;
V_p - скорость газа в газораздающих отверстиях горелки.

Поскольку скорость в отверстиях обратно пропорциональна их площади, можно записать

где
F_c, F_p - суммарные проходные площади сообщенных друг с другом сопловых и газораздающих отверстий.

Перепишем неравенство (5) в виде

где
n_c, n_p - количество сообщенных друг с другом сопловых и газораздающих отверстий;
d_c, d_p - диаметры этих отверстий.

Отсюда получим искомое соотношение (1)

Суммарный коэффициент гидравлического сопротивления горелки может быть определен как расчетным путем с использованием широко применяемых в инженерной практике методик, так и экспериментально путем продувки модели горелки.

Важным преимуществом предлагаемой конструкции камеры сгорания является то, что один ствол может использоваться для подачи газа к двум и более горелкам. Это достигается тем, что внутренняя полость подводящего ствола разделена внутренними стенками на два или более каналов ствола, каждый из которых сообщен с соответствующим топливным коллектором и по меньшей мере с одной горелкой.

Преимущества предлагаемой конструкции становятся очевидными при проведении экологической модернизации камер сгорания эксплуатирующихся газовых турбин. Суть такой модернизации состоит в замене у существующей камеры сгорания диффузионных горелок на комбинированные, т.е. содержащие две горелки: диффузионную и горелку предварительного смешения. Использование комбинированных горелок позволяет значительно снизить токсичность выхлопных газов ГТУ.

Непрерывным условием такой модернизации является сохранение неизменной конструкции корпуса камеры сгорания. Предлагаемая конструкция камеры сгорания решает эту проблему и позволяет подвести топливо и к диффузионной горелке, и к горелке предварительного смешения с помощью одного ствола, не изменяя конструкции корпуса камеры сгорания.

На фиг. 1 изображен продольный разрез камеры сгорания; на фиг. 2 - соотношения между размерами сопловых отверстий ствола и приемных отверстий горелки.

Камера сгорания включает (см. фиг.1) корпус 1, внутри которого расположена жаровая труба 2 с горелками: диффузионной горелкой 3 и горелкой предварительного смешения 4. Диффузионная горелка 3 имеет газораздающие отверстия 5, которые расположены на выходе из лопаточного завихрителя воздуха 6. Горелка предварительного смешения 4 содержит ряд расположенных на входе в завихритель воздуха 6 радиальных труб 7, которые сообщены с кольцевой полостью 8 во втулке завихрителя 9. В радиальных трубах 7 имеются газораздающие отверстия 10. Снаружи корпуса 1 расположены топливные коллекторы 11 и 12, которые сообщены с горелками 3 и 4 подводящим стволом 13. Подводящий ствол 13 сообщен с горелкой предварительного смешения 4 посредством выполненных в его стенке сопловых отверстий 14 и приемных отверстий 15, которые выполнены напротив сопловых отверстий ствола 14 в стенке горелки предварительного смешения 4, причем приемные отверстия 15 больше, чем сопловые 14. Между стенками ствола 13 и горелки 4 имеется зазор 16. Диаметр сопловых отверстий 14 зависит от количества и диаметра газораздающих отверстий 10 и определяется из соотношения (1). Внутренняя полость подводящего ствола 13 разделена внутренней стенкой 17 на каналы ствола 18 и 19. Канал 18 сообщен с топливным коллектором 11 и горелкой предварительного смешения 4 посредством сопловых 14 и приемных 15 отверстий. Канал 19 сообщен с топливным коллектором 12 и газораздающими отверстиями 5 диффузионной горелки 3. На фиг. 1 также обозначено: 20 - фланец подводящего ствола; 21 - фланец крышки корпуса.

При работе камеры сгорания воздух для горения подводится по кольцевому каналу, образованному корпусом 1 и жаровой трубой 2, и далее через лопаточный завихритель 6, на выходе из которого образуется закрученная воздушная струя.

Для подачи топлива в зону горения служат диффузионная горелка 3 и горелка предварительного смешения 4, которые включаются поочередно в зависимости от нагрузки камеры сгорания.

Топливо к горелкам 3 и 4 подводится от топливных коллекторов 11 и 12 с помощью подводящего ствола 13. Из коллектора 12 топливо подают в канал ствола 19, из которого через газораздающие отверстия 5 диффузионной горелки 3 оно направляется непосредственно в зону горения.

К горелке предварительного смешения 4 топливо подводится из коллектора 11 по каналу ствола 18 и сопловые отверстия 14. На выходе из сопловых отверстий 14 струи топлива имеют высокую скорость. Через приемные отверстия 15 струи топлива попадают в кольцевую полость 8 горелки предварительного смешения 4, из которой топливо поступает в радиальные трубы 7 и через газораздающие отверстия 10 подается в воздушный поток перед завихрителем воздуха 6. В кольцевой полости 8 кинетическая энергия топливных струй, вытекающих из отверстий 14, преобразуется в потенциальную энергию давления, достаточную для того, чтобы преодолеть гидравлическое сопротивление внутренних трактов горелки предварительного смешения 4 и обеспечить на выходе из газораздающих отверстий 10 заданную скорость топливных струй.

Имеющийся между стенками проводящего ствола 13 и горелки предварительного смешения 4 зазор 16 обеспечивает свободу взаимных перемещений ствола и горелки как при работе камеры сгорания, так и в процессе сборочно-монтажных работ. Для того, чтобы извлечь подводящий ствол 13 из корпуса 1, например, с целью проведения регламентных работ на диффузионной горелке 3, достаточно всего лишь разобрать фланцевое соединение 20. Если бы подводящий ствол 13 был жестко соединен с горелкой предварительного смешения 4, то для извлечения ствола 13 пришлось бы демонтировать крышку корпуса путем разборки фланца 21, что намного сложнее. Надежность подачи топлива в горелку предварительного смешения при взаимных перемещениях ствола и горелки 4 в процессе работы камеры сгорания обеспечивается тем, что отверстия 15 больше, чем отверстия 14.

На фиг. 2 приведены схемы, поясняющие соотношение (2) между размерами сопловых 14 и приемных 15 отверстий. На фиг. 2,а показано увеличение диаметра приемных отверстий вследствие взаимных перемещений подводящего ствола 13 и горелки 4 в результате тепловых расширений узлов камеры сгорания (крайние положения осей сопловых отверстий при этих перемещениях обозначены цифрами I и II).

Аналогичная картина будет наблюдаться из-за неточности изготовления или сборки, с той лишь разницей, что знак (направление перемещения) величины Δ_изг заранее неизвестен.

Фиг. 2, б поясняет необходимость увеличения диаметра приемных отверстий 15 по сравнению с диаметром сопловых отверстий 14 из-за увеличения диаметра струи топливного газа при ее течении в зазоре 16.

При наличии в зазоре 16 потока воздуха со скоростью W (см. фиг. 2,в) струя топливного газа может отклоняться сносящим потоком на величину Δ_w, что также необходимо учитывать при выборе диаметра приемных отверстий 15.

Как видно из фиг. 1, 2 и описания, предлагаемая камера сгорания содержит широко применяемые в этих устройствах элементы: цилиндрические и конические обечайки, трубы, лопаточный завихритель и т.п., поэтому ее реализация не вызывает каких-либо технических проблем.

Формула изобретения

1. Камера сгорания, включающая корпус, внутри которого расположена жаровая труба с горелками, имеющими газораздающие отверстия, и расположенные снаружи корпуса один или более топливные коллекторы, которые сообщены с горелками по меньшей мере одним подводящим стволом, отличающаяся тем, что подводящий ствол по меньшей мере с одной горелкой сообщен посредством выполненных в его стенке сопловых отверстий и приемных отверстий, которые выполнены напротив сопловых отверстий ствола в стенке горелки, причем между стенками ствола и горелки имеется зазор, а приемные отверстия больше, чем сопловые.

2. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что диаметр сопловых отверстий d_с определяется из соотношения

где n_р, n_с - количество сообщенных друг с другом газораздающих и сопловых отверстий;
d_р - диаметр газораздающих отверстий;
ζ - суммарный коэффициент гидравлического сопротивления горелки, приведенный к скорости в газораздающих отверстиях.

3. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя полость подводящего ствола разделена внутренними стенками на два или более каналов ствола, каждый из которых сообщен с соответствующим топливным коллектором и по меньшей мере с одной горелкой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2