Усовершенствованная огневая труба или "внутренняя облицовка" для камеры сгорания газовой турбины с малым уровнем выброса загрязняющих окружающую среду веществ

Усовершенствованная огневая труба или "внутренняя облицовка" для камеры сгорания газовой турбины с малым уровнем выброса загрязняющих окружающую среду веществ содержит цилиндрическую конструкцию, соединенную с выходом камеры предварительного смешивания при помощи конца в форме усеченного конуса. Камера предварительного смешивания снабжается воздухом, направляемым полостью, которая расположена между огневой трубой и наружными стенками камеры сгорания. Воздух циркулирует в направлении, противоположном направлению потока продуктов сгорания. Первый цилиндрический участок огневой трубы окружен цилиндрическим кожухом, который образует кольцевую камеру. Изобретение повышает возможность охлаждения первого участка огневой трубы, а также обеспечивает устойчивость и эффективность горения. 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Настоящее изобретение относится к усовершенствованной огневой трубе или "внутренней облицовке" для камеры сгорания газовой турбины с малым уровнем выброса загрязняющих окружающую среду веществ.

Как известно, газовая турбина является устройством, состоящим из компрессора и турбины с одной или более ступеней, в котором эти компоненты соединены вращающимся валом, и в котором между компрессором и турбиной расположена камера сгорания.

Воздух из окружающей среды подается в компрессор, где его давление повышается.

Сжатый воздух проходит по каналу, заканчивающемуся суживающейся частью, в которую группа форсунок подает топливо, которое смешивается с воздухом для формирования топливовоздушной смеси для сгорания.

Топливо, требуемое для сгорания, таким образом, подается в камеру сгорания одной или более форсунок, питаемых из контура под давлением, при этом процесс сгорания предназначен для повышения температуры и теплосодержания газа.

Для улучшения характеристик устойчивости пламени обычно также применяется параллельная система подачи топлива для генерирования пусковых факелов вблизи смесительного канала.

Наконец, газ при высокой температуре и под высоким давлением проходит по пригодным каналам к разным ступеням турбины, которая преобразует теплосодержание газа в механическую энергию, поставляемую пользователю.

Хорошо известно, что основными факторами, принимаемыми во внимание при конструировании камер сгорания для газовых турбин, являются устойчивость пламени и контроль избыточного воздуха с целью создания идеальных условий для сгорания.

Вторым фактором, который влияет на конструкцию камер сгорания газовых турбин, является тенденция обеспечения сгорания как можно ближе к куполу камеры сгорания.

Более конкретно, известный уровень техники предусматривает использование огневой трубы или "внутренней облицовки" внутри камеры сгорания, которая выполняет две основные функции.

Во-первых, пламя удерживается внутри трубы, что, таким образом, предотвращает его контакт с наружными стенками камеры сгорания для предотвращения перегрева.

Во-вторых, труба замедляет и рассеивает поток продуктов сгорания, предотвращая гашение пламени.

Кроме того, камеры сгорания очень часто имеют расположенные перед ними камеры предварительного смешивания, в которых воздух, перед этим использованный для охлаждения стенок камеры сгорания, смешивается с топливом.

Предпочтительно формировать полость вокруг огневой трубы.

Эта полость проводит сжатый воздух, который циркулирует в направлении, противоположном направлению потока продуктов сгорания, исходящих из камеры сгорания.

Как отмечалось выше, этот воздух используется в качестве воздуха горения, смешиваемого с топливом в камере предварительного смешивания, и в качестве охлаждающего воздуха для охлаждения как камеры сгорания, так и продуктов сгорания.

Для достижения малых уровней выбросов загрязняющих окружающую среду окисей азота при всех уровнях нагрузки на турбину воздух горения проходит из полости, расположенной снаружи от огневой трубы, в камеру предварительного смешивания через отверстия в наружной поверхности последней, и его количество может ограничиваться.

Ограничение применяется как функция используемого количества топлива таким образом, что соотношение между количеством воздуха горения и количеством топлива поддерживается постоянным на оптимальном уровне.

Согласно известному уровню техники огневая труба расположена на выходе конца в форме усеченного конуса, соединенного с камерой предварительного смешивания, в области фактического сгорания или в области основного пламени камеры.

Охлаждающий воздух, сжатый, например, осевым компрессором и циркулирующий в направлении, противоположном направлению потока продуктов сгорания, исходящих из камеры сгорания, проходит между огневой трубой и наружными стенками камеры сгорания.

Огневая труба соединена концом в форме усеченного конуса с камерой предварительного смешивания и имеет цилиндрическую конструкцию, которая по существу содержит два отдельных участка.

Первый участок, расположенный вокруг основного пламени, содержит цилиндрический кожух без отверстий, тогда как второй, более длинный участок имеет группу прорезей или отверстий и каналов для направления воздуха, проходящего по ним в направлении, параллельном стенке указанного участка.

В дополнение к этому, вокруг конца в форме усеченного конуса образована полость, наружная поверхность которой имеет множество небольших отверстий для доступа воздуха.

Таким образом, сжатый воздух, который проходит через эти отверстия, создает большое количество воздушных струй, направленных на наружную поверхность первого участка, и благодаря этому по существу обеспечивается конвекционное охлаждение.

В первом участке нет отверстий; это предотвращает неполное сгорание из-за притока воздуха, что могло бы вызывать проблемы загрязняющих окружающую среду выбросов.

Однако во втором участке влияние охлаждающего воздуха на полноту сгорания менее существенно и, таким образом, стенка имеет множество отверстий, создающих поток воздуха, проходящего по внутренней поверхности стенки и охлаждающего ее.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является усовершенствование указанной выше огневой трубы так, чтобы повысить возможность охлаждения в первом участке.

Особенно желательно улучшить эту характеристику с главной целью снижения до минимума загрязняющих окружающую среду выбросов при одновременном соответствии другим требованиям удовлетворительного сгорания, которые указаны ниже.

Другой задачей настоящего изобретения, таким образом, должно быть получение усовершенствованной огневой трубы или "внутренней облицовки" для камеры сгорания газовой турбины с малым уровнем выброса загрязняющих окружающую среду веществ, которая также обеспечивает хорошую устойчивость горения.

Еще одной задачей настоящего изобретения является получение усовершенствованной огневой трубы или "внутренней облицовки" для камеры сгорания газовой турбины с малым уровнем выброса загрязняющих окружающую среду веществ, которая уменьшает колебания давления в камере сгорания, таким образом, действуя как глушитель акустических колебаний.

Другой задачей настоящего изобретения является получение усовершенствованной огневой трубы или "внутренней облицовки" для камеры сгорания газовой турбины с малым уровнем выброса загрязняющих окружающую среду веществ, которая обеспечивает высокую эффективность сгорания.

Дополнительной задачей настоящего изобретения является получение усовершенствованной огневой трубы или "внутренней облицовки" для камеры сгорания газовой турбины с малым уровнем выброса загрязняющих окружающую среду веществ, которая обеспечивает увеличение среднего срока службы компонентов, подвергающихся воздействию высоких температур.

Еще одной дополнительной задачей настоящего изобретения является получение усовершенствованной огневой трубы или "внутренней облицовки" для камеры сгорания газовой турбины с малым уровнем выброса загрязняющих окружающую среду веществ, которая в высокой степени надежна, проста и функциональна и недорога в производстве и обслуживании.

Эти и другие задачи настоящего изобретения решены с получением усовершенствованной огневой трубы или "внутренней облицовки" для камеры сгорания газовой турбины с малым уровнем выброса загрязняющих окружающую среду веществ, описанной в пункте 1 формулы изобретения.

Другие характеристики указаны в последующих пунктах.

Преимущественно, усовершенствованная огневая труба или "внутренняя облицовка" для камеры сгорания газовой турбины с малым уровнем выброса загрязняющих окружающую среду веществ, соответствующая настоящему изобретению, может быть выполнена так, чтобы она легко заменяла уже существующие в камерах сгорания известного уровня техники и, таким образом, уже установленные.

Характеристики и преимущества усовершенствованной огневой трубы или "внутренней облицовки" для камеры сгорания газовой турбины с малым уровнем выброса загрязняющих окружающую среду веществ, соответствующей настоящему изобретению, будут понятнее при ознакомлении с нижеследующим описанием, данным для примера и не вносящим ограничений, со ссылками на прилагаемые схематические чертежи, на которых:

фиг.1 изображает продольный вид с частичным сечением огневой трубы или "внутренней облицовки" в камере сгорания для газовых турбин, соответствующей известному уровню техники;

фиг.2 изображает продольный вид с частичным сечением огневой трубы или "внутренней облицовки" в камере сгорания для газовых турбин, соответствующей настоящему изобретению;

фиг.3 изображает увеличенный вид в продольном сечении детали фиг.2.

На фиг.1 показана камера сгорания газовой турбины, обозначенная в целом позицией 10, причем внутри камеры расположена огневая труба или "внутренняя облицовка" 12, соответствующая известному уровню техники.

Перед (по ходу потока) огневой трубой 12 расположена камера 14 предварительного смешивания, снабжаемая воздухом горения, направляемым полостью 16, расположенной между огневой трубой 12 и наружными стенками 18 камеры 10 сгорания.

Огневая труба 12 расположена на выходе конца 20 в форме усеченного конуса, соединенного с камерой 14 предварительного смешивания, в области фактического сгорания или области основного пламени камеры 10 сгорания.

Охлаждающий воздух, сжатый осевым компрессором, который не показан на фигуре, проходит между огневой трубой 12 и наружными стенками 18 камеры 10 сгорания в направлении, противоположном направлению потока продуктов сгорания, исходящих из камеры 10 сгорания.

Огневая труба 12 имеет цилиндрическую конструкцию, которая по существу содержит два отдельных участка.

Первый цилиндрический участок 22, расположенный вокруг основного пламени, содержит цилиндрический кожух 24 без отверстий, тогда как второй, более длинный цилиндрический участок 26 имеет группу прорезей или отверстий 28.

Кроме того, вокруг конца 20 в форме усеченного конуса образована полость 30, в наружной поверхности 32 которой выполнено множество небольших отверстий для доступа воздуха.

Таким образом, сжатый воздух, который проходит через эти отверстия, создает большое количество воздушных струй, направленных в сторону конца 20 в форме усеченного конуса, обеспечивающих по существу конвекционное охлаждение.

С другой стороны, во втором участке 26 охлаждение происходит исключительно благодаря слою воздуха, примыкающему к внутренней поверхности стенки и образуемому благодаря прохождению воздуха через отверстия 28.

На фиг.2 и 3 показана камера сгорания газовой турбины, обозначенная в целом позицией 110, в которой расположена огневая труба или "внутренняя облицовка" 112, соответствующая настоящему изобретению, причем компоненты, идентичные и/или эквивалентные показанным на фиг.1 в отношении известного уровня техники, имеют такие же ссылочные позиции, в каждом случае увеличенные на 100.

В показанном примере камера 114 предварительного смешивания расположена перед (по ходу потока) огневой трубой 112 и снабжается воздухом горения, который направляется полостью 116, расположенной между огневой трубой 112 и наружными стенками 118 камеры 110 сгорания.

Огневая труба 112 расположена на выходе конца 120 в форме усеченного конуса, соединенного с камерой 114 предварительного смешивания в области фактического сгорания или области основного пламени камеры 110 сгорания.

Охлаждающий воздух, сжатый осевым компрессором, который не показан на фигуре, и циркулирующий в направлении, противоположном направлению потока продуктов сгорания, исходящих из камеры 110 сгорания, проходит между огневой трубой 112 и наружными стенками 118 камеры 110 сгорания.

Огневая труба 112 имеет цилиндрическую конструкцию, которая по существу содержит два отдельных участка.

Первый цилиндрический участок 122, расположенный вокруг основного пламени, содержит цилиндрический кожух без отверстий, тогда как второй цилиндрический участок 126, который имеет большую длину и подобен такому участку известного уровня техники, направляет продукты сгорания и имеет группу прорезей или отверстий 128.

Первый цилиндрический участок 122 имеет группу прорезей или отверстий 134, расположенных, например, в точках пересечений квадратной сетки и сформированных в области, близкой к концу 120 в форме усеченного конуса.

Этот участок 122 закрыт цилиндрическим кожухом 136, который его окружает, оставляя пространство для кольцевой камеры 138.

Кожух 136 имеет кольцевые соединения 140 на обоих его концах, которые соединяют его с первым цилиндрическим участком 122 и закрывают кольцевую камеру 138.

Эти кольцевые соединения 140 выполнены, например, посредством приваривания профилированных секций, которые наклонены относительно оси огневой трубы 112 к первому цилиндрическому участку 122.

В кожухе 136 сформирована группа прорезей или отверстий 142, расположенных, например, в точках пересечений квадратных сеток, идентичных указанной относительно отверстий 134 цилиндрического участка 122.

Предпочтительно, отверстия 142 в кожухе 136 меньше отверстий 134 в цилиндрическом участке 122 и расположены в шахматном порядке относительно последних.

Первый цилиндрический участок 122 также имеет часть без отверстий, и эта часть расположена в области, противоположной концу 120 в форме усеченного конуса.

В кольцевой камере 138 между частью участка 122, имеющей отверстия 134, и частью без отверстий расположен разделяющий элемент 144 кольцевой формы.

Разделяющий элемент 144 имеет по меньшей мере один зазор 146 для соединения двух частей камеры 138, образованных разделяющим элементом 144.

Этот разделяющий элемент 144, преимущественно, сформирован посредством приваривания к первому цилиндрическому участку 122 профилированной секции, наклоненной в направлении конца 120 в форме усеченного конуса камеры 110 сгорания.

Наконец, в части цилиндрического участка 122 без отверстий вблизи кольцевого соединения 140 сформирована кольцевая группа небольших отверстий 148, размеры которых, например, больше размеров отверстий 142 в кожухе 136.

Работа усовершенствованной огневой трубы или "внутренней облицовки" 112 для камеры 110 сгорания газовой турбины с малым уровнем выброса загрязняющих окружающую среду веществ, соответствующей настоящему изобретению, понятна из приведенного выше описания со ссылками на чертежи и, коротко, состоит в следующем.

Охлаждающий воздух сжимается осевым компрессором, который не показан на чертежах, и охлаждает огневую трубу 112.

Когда он охлаждает огневую трубу 112, воздух нагревается и затем поступает в камеру 114 предварительного смешивания, таким образом, действуя в качестве воздуха горения.

Во втором цилиндрическом участке 126 охлаждение по существу обеспечивается слоем воздуха, который примыкает к внутренней поверхности стенки и который образуется благодаря прохождению воздуха через отверстия 128, как и в случае с известным уровнем техники.

Однако в первом цилиндрическом участке 122 охлаждение по существу обеспечивается тем, что известно как "принудительное охлаждение", а не только конвекцией, как это происходит в случае с известным уровнем техники.

Принудительным охлаждением является механизм теплообмена, который создается при столкновении текучих сред с поверхностью.

В этом случае, сжатый воздух, который проходит через отверстия 142 в кожухе 136, создает соответствующее количество воздушных струй, направленных на первый цилиндрический участок 122.

В результате замедления воздушной струи и увеличения давления вокруг районов столкновения создается очень тонкий гидродинамический и тепловой пограничный слой.

В результате, в этих районах получают очень высокие коэффициенты теплообмена, и в этих точках, таким образом, тепло передается очень легко.

Часть кольцевой камеры 138, где расположены отверстия 134, действует как глушитель звуковых колебаний для противодействия колебаниям давления, возникающим внутри огневой трубы 112.

Группа отверстий 148 расположена в области, где поступление воздуха в огневую трубу 112 не создает проблем неполного сгорания и являющегося результатом этого выброса загрязняющих окружающую среду веществ.

Подобным образом, отверстия 134 должны допускать только минимальное поступление воздуха для предотвращения указанных проблем загрязнения окружающей среды.

Приведенное выше описание ясно показывает характеристики усовершенствованной огневой трубы или "внутренней облицовки" для камеры сгорания газовой турбины с малым уровнем выброса загрязняющих окружающую среду веществ, которая является объектом настоящего изобретения, а также поясняет соответствующие преимущества, которые включают:

- улучшенную охлаждающую способность;

- уменьшенные колебания давления в камере сгорания и хорошую устойчивость пламени;

- высокую эффективность сгорания;

- увеличенный средний срок службы компонентов, которые подвергаются воздействию высоких температур;

- простоту и надежность в использовании;

- низкую стоимость производства и обслуживания по сравнению с известным уровнем техники;

- отличную взаимозаменяемость с огневыми трубами камер сгорания известного уровня техники, обеспечивающую легкую установку в ранее смонтированные газовые турбины, которые можно модернизировать.

Наконец, очевидно, что усовершенствованная огневая труба или "внутренняя облицовка" для камеры сгорания газовой турбины с малым уровнем выброса загрязняющих окружающую среду веществ, сконструированная таким образом, может быть модифицирована и изменена множеством способов, входящих в объем изобретения.

Кроме того, все компоненты могут быть заменены технически эквивалентными элементами.

На практике, используемые материалы, а также формы и размеры могут изменяться в соответствии с техническими требованиями, которые могут возникать время от времени.

Объем защиты изобретения, таким образом, ограничен прилагаемой формулой изобретения.

1. Усовершенствованная огневая труба или "внутренняя облицовка" (112) для камеры (110) сгорания газовой турбины с малым уровнем выброса загрязняющих окружающую среду веществ типа, содержащего цилиндрическую конструкцию, соединенную с выходом камеры (114) предварительного смешивания при помощи конца (120) в форме усеченного конуса, причем камера (114) предварительного смешивания снабжается воздухом, направляемым полостью (116), которая расположена между огневой трубой (112) и наружными стенками (118) камеры (110) сгорания, при этом воздух циркулирует в направлении, противоположном направлению потока продуктов сгорания, отличающаяся тем, что первый цилиндрический участок (122) огневой трубы (112) окружен цилиндрическим кожухом (136), который образует кольцевую камеру (138).

2. Усовершенствованная огневая труба (112) по п.1, отличающаяся тем, что в цилиндрической части указанного первого цилиндрического участка (122) выполнена группа отверстий (134).

3. Усовершенствованная огневая труба (112) по п.2, отличающаяся тем, что отверстиями (134) первого цилиндрического участка (122) являются отверстия (134), расположенные в точках пересечения квадратных сеток и сформированные в области, расположенной вблизи конца (120) в форме усеченного конуса.

4. Усовершенствованная огневая труба (112) по п.1, отличающаяся тем, что цилиндрический кожух (136) имеет кольцевые соединения (140) на обоих концах, которые соединяют его с первым цилиндрическим участком (122) и закрывают кольцевую камеру (138).

5. Усовершенствованная огневая труба (112) по п.1, отличающаяся тем, что в кожухе (136) выполнена группа отверстий (142).

6. Усовершенствованная огневая труба (112) по п.5, отличающаяся тем, что указанными отверстиями (142) являются отверстия, расположенные в точках пересечения квадратных сеток.

7. Усовершенствованная огневая труба (112) по п.3 или 6, отличающаяся тем, что указанные сетки отверстий (142) в кожухе (136) идентичны сеткам отверстий (134) первого цилиндрического участка (122).

8. Усовершенствованная огневая труба (112) по п.7, отличающаяся тем, что отверстия (142) в кожухе (136) меньше отверстий (134) в первом цилиндрическом участке (122) и расположены в шахматном порядке относительно последнего.

9. Усовершенствованная огневая труба (112) по п.1, отличающаяся тем, что первый цилиндрический участок (122) имеет цилиндрическую часть без отверстий, и эта часть расположена в области, противоположной концу (120) в форме усеченного конуса.

10. Усовершенствованная огневая труба (112) по п.9, отличающаяся тем, что в кольцевой камере (138) между частью цилиндрического участка (122) с отверстиями (134) и частью без отверстий расположен разделяющий элемент (144) кольцевой формы.

11. Усовершенствованная огневая труба (112) по п.10, отличающаяся тем, что разделяющий элемент (144) имеет, по меньшей мере, одно отверстие (146) для соединения двух частей камеры (138), образованных разделяющим элементом (144).

12. Усовершенствованная огневая труба (112) по п.10 или 11, отличающаяся тем, что в части цилиндрического участка (122) без отверстий вблизи кольцевого соединения (140) сформирована периферическая группа небольших отверстий (148).

13. Усовершенствованная огневая труба (112) по п.1, отличающаяся тем, что она содержит второй цилиндрический участок (126), который длиннее первого цилиндрического участка (122) и который имеет группу отверстий (128).

14. Усовершенствованная огневая труба (112) по п.1, отличающаяся тем, что воздух, сжатый осевым компрессором, проходит через указанную полость (116).