Диффузор для камеры сгорания турбины (варианты) и камера сгорания турбины

Диффузор для камеры сгорания турбины содержит по существу кольцевую внешнюю оболочку, по существу кольцевую внутреннюю оболочку и канал Вентури, расположенный между внешней и внутренней оболочками. Осевое сечение внешней и внутренней оболочек имеет по существу V-образную форму, ограничивающую область горловины. Внешняя оболочка выполнена с группой разбрызгивающих охладительных отверстий. Внутренняя оболочка выполнена с вихрегенераторами, обращенными к указанной группе охладительных отверстий, и с отходящими от нее пластинами, расположенными в указанной области горловины и проходящими в радиальном наружном направлении в канал Вентури к внешней оболочке. Изобретение направлено на повышение эффективности охлаждения. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение относится к камере сгорания газовой турбины и, более конкретно, к новой конструкции диффузора для камеры сгорания турбины с более эффективным охлаждением.

Известно о достижении существенного снижения выбросов окислов азота NOx из турбины внутреннего сгорания путем использования первой и второй камер сгорания или ступеней, объединенных областью горловины, без усугубления при этом проблем зажигания, выброса несгоревших углеводородов или окиси углерода (см., например, совместный патент США №4292801).

В более позднем совместном патенте США №5127221 описаны способ и устройство для создания зоны повышенного давления вокруг области горловины и охлаждения участков стенок горловины с использованием воздуха компрессора, протекающего по кольцевому проходу между оболочкой камеры сгорания и окружающим кожухом или проточным патрубком.

В патенте США №6427446 описан способ охлаждения стенки горловины инжекционным способом, в котором также используют охлаждающий воздух, протекающий по проходу между оболочкой камеры сгорания и окружающим проточным патрубком.

Имеется необходимость в создании системы охлаждения диффузора, которая обеспечивает еще более высокую эффективность охлаждения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В первом иллюстративном, но не ограничивающем варианте выполнения предложен диффузор для камеры сгорания турбины, содержащий по существу кольцевую внешнюю оболочку, по существу кольцевую внутреннюю оболочку и канал Вентури, расположенный между указанными внешней и внутренней оболочками, осевое сечение которых имеет по существу V-образную форму, ограничивающую область горловины, причем указанная внешняя оболочка выполнена с группой разбрызгивающих охладительных отверстий, а указанная внутренняя оболочка выполнена с вихрегенераторами, обращенными к указанной внешней оболочке и группе охладительных отверстий.

В другом иллюстративном, но не ограничивающем варианте выполнения предложен диффузор для камеры сгорания турбины, содержащий по существу кольцевую внешнюю оболочку, по существу кольцевую внутреннюю оболочку и канал Вентури, расположенный между указанными внешней и внутренней оболочками, осевое сечение которых имеет по существу V-образную форму, ограничивающую область горловины, причем указанная внешняя оболочка выполнена с группой разбрызгивающих охладительных отверстий, а указанная внутренняя оболочка выполнена с вихрегенераторами, обращенными к указанной группе охладительных отверстий, и с отходящими от нее пластинами, расположенными в указанной области горловины и проходящими в радиальном наружном направлении в канал Вентури к внешней оболочке.

В еще одном иллюстративном, но не ограничивающем варианте выполнения предложена камера сгорания турбины, содержащая радиально внутреннюю оболочку и радиально внешний проточный патрубок, причем радиально внутренняя оболочка параллельна устройству типа Вентури, представляющему собой диффузор для камеры сгорания турбины, который содержит по существу кольцевую внешнюю оболочку, по существу кольцевую внутреннюю оболочку, канал Вентури, расположенный между указанными внешней и внутренней оболочками, осевое сечение которых имеет по существу V-образную форму, ограничивающую область горловины, причем указанная внешняя оболочка выполнена с группой разбрызгивающих охладительных отверстий, и внутренняя и внешняя V-образные оболочки образуют камеру повышенного давления, закрытую другим кольцевым элементом, в котором выполнен по меньшей мере один проем, предназначенный для подачи охлаждающего воздуха в указанную камеру, причем противоположные концы канала Вентури открыты с обеспечением протекания охлаждающего воздуха, поступающего в канал Вентури через указанный по меньшей мере один проем, в указанной области горловины в противоположных направлениях.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 изображает вид сбоку в продольном разрезе, показывающий известную камеру сгорания, которая содержит диффузор, охлаждаемый инжекционным способом,

фиг.2 изображает частичный разрез диффузора камеры сгорания, выполненного в соответствии с иллюстративным, но не ограничивающим вариантом выполнения изобретения,

фиг.3 изображает вид в аксонометрии в разрезе диффузора, показанного на фиг.2, и

фиг.4 изображает другой вид в аксонометрии в разрезе диффузора, показанного на фиг.2.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.1 изображена известная система охлаждения диффузора (или области горловины). Диффузор 10 расположен в осевом направлении между первой и второй областями 12, 14 камеры сгорания, ограниченными оболочкой 16 камеры сгорания. Диффузор имеет радиально внешнюю стенку 18 и радиально внутреннюю стенку 20, между которыми расположен проход или канал 22 для охлаждающего потока. Оболочка 16 камеры сгорания проходит вниз по потоку за пределы диффузора 10, где обычно она соединяется с переходным отсеком или трубопроводом (не показана), который обеспечивает подачу горячих газообразных продуктов сгорания к первой ступени турбины. Указанная оболочка 16 проходит вверх по потоку до торцевой крышки 24 камеры сгорания, которая служит опорой для сопел 26, 28, выступающих в камеру сгорания. Оболочка 16 и диффузор 10 образуют кольцевую камеру 30 повышенного давления таким образом, что указанная камера окружает диффузор и с помощью одного или нескольких проемов 32, расположенных вокруг оболочки 16, подает охлаждающий воздух в камеру 30 диффузора. Более подробно, охлаждающий воздух, подаваемый в указанную камеру 30, поступает в проход или канал 22 через группу разбрызгивающих охладительных отверстий 34, выполненных как на сужающейся части 36, так и на расширяющейся части 38 внешней стенки 18 диффузора. Входной конец канала 20 закрыт, а его выходной конец 40 открыт. Охлаждающий воздух выходит из канала Вентури через открытый выходной конец 40, где соединяется с газообразными продуктами сгорания, вытекающими из камеры сгорания к первой ступени турбины.

На фиг.2-4 изображен диффузор 42 в соответствии с иллюстративным, но не ограничивающим вариантом выполнения изобретения. Диффузор 42 частично образован оболочкой 44 камеры сгорания и содержит стенку 46 внутренней оболочки и стенку 48 внешней оболочки, между которыми расположен проточный проход или канал 50 Вентури. Стенка 46 имеет сужающуюся часть 52 и расширяющуюся часть 54 (относительно направления протекания газообразных продуктов сгорания слева направо), и аналогично стенка 48 имеет соответственно сужающуюся и расширяющуюся части 56 и 58, в результате чего образуется область 60 суженной горловины диффузора. Следует отметить, что проточный проход или канал 50 открыт как на входном конце 62, так и на выходном конце 64.

Диффузор 42 окружен кольцевой частью 66 стенки камеры сгорания с образованием кольцевой камеры 68 повышенного давления. В иллюстративном варианте выполнения охлаждающий воздух подается в указанную камеру 68 через набор охладительных переходников или гильз 70. Однако в отличие от вышеописанной известной конфигурации охлаждающий воздух поступает непосредственно из воздуха, забираемого из выходного кожуха компрессора, а не из потока, находящегося в кольцевом проходе 72, расположенном между оболочкой 44 камеры сгорания и окружающим проточным патрубком 74. Воздух, забираемый из выходного кожуха компрессора, не только холоднее потока, протекающего в кольцевом проходе 72 между оболочкой камеры сгорания и проточным патрубком, но также находится под более высоким давлением, что приводит к более эффективному инжекционному охлаждению внутренней стенки 80, 82 диффузора.

Более подробно, охлаждающий воздух, находящийся в камере 68 повышенного давления, подается в проход или канал 50 через кольцевую группу разнесенных по окружности разбрызгивающих охладительных отверстий 76, выполненных как на сужающейся части 56, так и на расширяющейся части 58 стенки 48 внешней оболочки.

Стенка 46 внутренней оболочки выполнена с кольцевой группой кольцевых ребер (или турбулизаторов) 78 вихрегенератора, разнесенных в осевом направлении и расположенных как на сужающейся, так и на расширяющейся (или передней и задней) поверхности 80, 82 стенки внутренней оболочки. Указанные ребра 78 смещены в осевом направлении относительно кольцевых рядов разбрызгивающих отверстий 76. Другими словами, ребра 78 расположены между соседними рядами разбрызгивающих отверстий 76, а соответствующие шаги между отверстиями и между ребрами остаются постоянными по всему диффузору. Такая конфигурация обеспечивает комплексное взаимодействие между струями воздуха, вторичными потоками, кольцевыми турбулизаторами и отработанным охлаждающим воздухом, создавая такие преимущества, как интенсивное смешивание охлаждающего воздуха в кольцевом проходе или канале 50, существенное снижение ударения перекрестного потока на воздушных струях и эффективное разрушение пограничного слоя вдоль поверхностей 80, 82. Возможно использование ребер с различной формой поперечного сечения при условии повышения теплопередачи и поддержания выравнивания шага ребер относительно рядов разбрызгивающих охладительных отверстий 76.

У горловины или области 60 горловины диффузора стенка 46 внутренней оболочки снабжена (или выполнена с) проходящими в осевом направлении пластинами 84, разнесенными по кольцу вокруг горловины 60 и проходящими как вдоль сужающейся, так и вдоль расширяющейся части 52, 54 стенки 46 внутренней оболочки. Эти пластины могут иметь в продольном разрезе V-образную или шевронную форму и существенно улучшать охлаждение в зоне горловины.

Кроме того, в радиально внутренней оболочке перед пластинами 84 и, например, между соседними турбулизаторами или ребрами 78, а также смежно с областью 60 горловины может быть выполнена группа отверстий 86 для пленочного охлаждения (которые лучше всего видны на фиг.3 и 4). Указанные отверстия обеспечивают локальный поток для пленочного охлаждения, проходящий вдоль внутренней поверхности сужающейся части 52 стенки 46 внутренней оболочки вблизи горловины 60 и перед ней.

В процессе эксплуатации воздух, подаваемый в проточный канал 50, протекает в противоположных направлениях и выходит из канала 50 соответственно как из входного, так и из выходного концов 62, 64. В связи с этим следует отметить, что профиль стенки у выходного конца 64 имеет закругленную конфигурацию (или закругленный сгиб) 88, что обеспечивает изменение направления выходящего охлаждающего воздуха на направление вверх по потоку, то есть направление, совпадающее с направлением воздуха, выходящего из входного конца 62. Следует отметить, что некоторые из разбрызгивающих охладительных отверстий 76 направлены в целом к закругленному сгибу, что обеспечивает соответствующее охлаждение в зоне поворота.

Кроме того, двунаправленный поток в зоне горловины по существу исключает возникновение перекрестного потока у внутренней поверхности края горловины, что является существенным с точки зрения эффективности локального охлаждения.

Такая конфигурация диффузора позволяет регулировать эффективность охлаждения указанного сопла с обеспечением возможности изменения эффективности охлаждения в различных участках системы, обеспечивает оптимальное охлаждение горловины диффузора и снижение ударения перекрестного потока на воздушных струях в области горловины диффузора.

Несмотря на то что изобретение описано применительно к наиболее целесообразному и предпочтительному на сегодняшний день варианту выполнения, следует понимать, что оно не ограничено описанным вариантом выполнения, а напротив, охватывает различные модификации и эквивалентные конфигурации, находящиеся в рамках идеи и объема прилагаемой формулы изобретения.

1. Диффузор для камеры сгорания турбины, содержащий:
по существу кольцевую внешнюю оболочку,
по существу кольцевую внутреннюю оболочку и
канал Вентури, расположенный между внешней и внутренней оболочками,
причем осевое сечение внешней и внутренней оболочек имеет по существу V-образную форму, ограничивающую область горловины,
при этом внешняя оболочка выполнена с группой разбрызгивающих охладительных отверстий, а внутренняя оболочка выполнена с вихрегенераторами, обращенными к внешней оболочке и группе охладительных отверстий.

2. Диффузор по п.1, в котором внутренняя оболочка снабжена отходящими от нее пластинами, расположенными в области горловины и проходящими в радиальном наружном направлении к внешней оболочке.

3. Диффузор по п.2, в котором внутренняя оболочка имеет отверстия для пленочного охлаждения, расположенные в осевом направлении смежно с указанной областью горловины.

4. Диффузор по п.1, в котором противоположные концы канала Вентури открыты.

5. Диффузор по п.1, в котором указанные внутренняя и внешняя V-образные оболочки образуют камеру повышенного давления, закрытую другим кольцевым элементом, в котором выполнен по меньшей мере один проем, предназначенный для подачи охлаждающего воздуха в указанную камеру.

6. Диффузор по п.5, в котором противоположные концы канала Вентури открыты.

7. Диффузор по п.3, имеющий отверстия для пленочного охлаждения, выполненные в указанной радиально внутренней оболочке перед указанной горловиной.

8. Диффузор для камеры сгорания турбины, содержащий:
по существу кольцевую внешнюю оболочку, по существу кольцевую внутреннюю оболочку и
канал Вентури, расположенный между внешней и внутренней оболочками, причем осевое сечение внешней и внутренней оболочек имеет по существу V-образную форму, ограничивающую область горловины, при этом внешняя оболочка выполнена с группой разбрызгивающих охладительных отверстий, а
внутренняя оболочка выполнена с вихрегенераторами, обращенными к указанной группе охладительных отверстий, и с отходящими от нее пластинами, расположенными в указанной области горловины и проходящими в радиальном наружном направлении в канал Вентури к внешней оболочке.

9. Диффузор по п.8, в котором противоположные концы канала Вентури открыты.

10. Диффузор по п.8, в котором указанные внутренняя и внешняя V-образные оболочки образуют камеру повышенного давления, закрытую другим кольцевым элементом, в котором выполнен по меньшей мере один проем, предназначенный для подачи охлаждающего воздуха в указанную камеру.

11. Диффузор по п.10, в котором указанный по меньшей мере один проем ограничен по меньшей мере одним соответствующим полым переходником, предназначенным для подачи забираемого из компрессора воздуха непосредственно в указанную камеру повышенного давления.

12. Камера сгорания турбины, содержащая радиально внутреннюю оболочку и радиально внешний проточный патрубок, причем радиально внутренняя оболочка параллельна устройству типа Вентури, содержащему
диффузор для камеры сгорания турбины, который содержит:
по существу кольцевую внешнюю оболочку,
по существу кольцевую внутреннюю оболочку и
канал Вентури, расположенный между внешней и внутренней оболочками,
причем осевое сечение внешней и внутренней оболочек имеет по существу V-образную форму, ограничивающую область горловины,
при этом по существу кольцевая внешняя оболочка выполнена с группой разбрызгивающих охладительных отверстий, а указанные внутренняя и внешняя V-образные оболочки образуют камеру повышенного давления, закрытую другим кольцевым элементом, в котором выполнен по меньшей мере один проем, предназначенный для подачи охлаждающего воздуха в указанную камеру, причем противоположные концы канала Вентури открыты с обеспечением протекания охлаждающего воздуха, поступающего в канал Вентури через указанный по меньшей мере один проем, в указанной области горловины в противоположных направлениях.

13. Камера сгорания по п.12, в которой указанная внутренняя оболочка выполнена с вихрегенераторами, обращенными к указанной внешней оболочке, и с отверстиями для пленочного охлаждения, расположенными в осевом направлении смежно с указанной областью горловины.

14. Камера сгорания по п.12, в которой указанная внутренняя оболочка содержит отходящие от нее пластины, расположенные в указанной зоне горловины и проходящие в радиальном наружном направлении к указанной внешней оболочке.

15. Камера сгорания по п.12, в которой указанный по меньшей мере один проем ограничен по меньшей мере одним соответствующим полым переходником, проходящим через указанный проточный патрубок с обеспечением подачи воздуха, поступающего в камеру повышенного давления, из области, расположенной снаружи указанного патрубка.

16. Камера сгорания по п.12, в которой указанная группа разбрызгивающих охладительных отверстий и вихрегенераторы смещены друг относительно друга в осевом направлении.

17. Камера сгорания по п.12, в которой охлаждающий воздух, выходящий из противоположных концов канала Вентури, направляется в одном направлении вверх по потоку.

18. Камера сгорания по п.13, в которой указанная внутренняя оболочка содержит отходящие от нее пластины, расположенные в указанной зоне горловины и проходящие в радиальном наружном направлении к указанной внешней оболочке.

19. Камера сгорания по п.12, в которой указанная внутренняя оболочка имеет отверстия для пленочного охлаждения, расположенные в осевом направлении перед областью горловины.

20. Камера сгорания по п.14, в которой указанная внутренняя оболочка имеет отверстия для пленочного охлаждения, расположенные в осевом направлении перед областью горловины.