Подставка для горелки камеры сгорания газовой турбины и газовая турбина
Изобретение относится к энергетике. Камера сгорания газовой турбины, у которой предусмотрены вставка для горелки, которая имеет стенку с холодной и горячей сторонами и край, ограничивающий стенку вставки для горелки. Край имеет, по меньшей мере, частично охватывающее, выступающее над холодной стороной крайнее ребро, при этом крайнее ребро имеет отверстия по всему краю. В стенке вставки для горелки выполнено отверстие для вставления в него горелки. Также представлена газовая турбина, содержащая камеру сгорания согласно изобретению. Изобретение позволяет создать эффективную камеру сгорания. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 7 ил.
Настоящее изобретение относится к камере сгорания газовой турбины с вставкой для горелки, содержащей отверстие для установки горелки. Также изобретение относится к газовой турбине.
Камеры сгорания газовой турбины имеют один конец на стороне горелки и другой конец на стороне турбины. Находящийся на стороне турбины конец является открытым и обеспечивает поступление образующихся в камере сгорания горячих газообразных продуктов сгорания в турбину. На расположенном на стороне горелки конце часто применяется вставка для горелки, состоящая из жаропрочной горячей стороны и охлаждаемой холодной стороны. Горелка вставляется в отверстие в вставке. При работе газовой турбины холодный воздух, который поступает, как правило, от компрессора, течет по холодной стороне от отверстия в вставке для горелки к ее наружному краю, откуда холодный воздух поступает в камеру сгорания. В US 2005/0016178 А1 описан пример вставки для горелки для трубчатой камеры сгорания.
В кольцевых камерах сгорания, т.е. в камерах сгорания, расположенных кольцеобразно вокруг рабочего колеса турбины, применяется, как правило, множество вставок для горелок, расположенных друг возле друга по периметру кольцевой камеры сгорания. Тогда протекающий по холодной стороне горелки холодный воздух поступает в камеру сгорания между радиально наружной и радиально внутренней стенками камеры сгорания. Кроме того, холодный воздух может поступать в камеру сгорания и через зазоры между смежно расположенными по периметру вставками для горелок. Подобная кольцевая камера сгорании описана, например, в ЕР 1557607 А1. В качестве альтернативы возможно также подавать холодный воздух к отверстию горелки вместо подачи от нее и тогда он направляется через кольцевой зазор между краем отверстия горелки и вставленной горелкой в камеру сгорания, как это раскрыто в ЕР 1767855 А1.
Вставка для горелки для кольцевой камеры сгорания схематически изображена на фиг.1. На этой фигуре можно видеть вставку для горелки для кольцевой камеры сгорания с видом в разрезе и в перспективе на холодную сторону 103. В центре холодной стороны 103 вставки 100 для горелки находится отверстие 105, в которое может вставляться горелка. Вставка для горелки крепится кольцевой перемычкой 107 на выступающем над холодной стороной участке 109 вставки 100 для горелки на несущей конструкции корпуса газовой турбины.
При работе камеры сгорания газовой турбины в ней могут происходить колебания давления, способные возбуждать высокочастотные колебания вставки для горелки. Они воздействуют на вставку для горелки, сокращая ее срок службы. Для придания жесткости вставке для горелки и для направления холодного воздуха холодная сторона 103 вставки 100 для горелки снабжена ребрами 111. Кроме того, предусмотрены опорные винты 113, изображенные на фиг.1 лишь схематически. Винты 113 и ребра 111 образуют опорные участки, посредством которых холодная сторона опирается о несущую конструкцию корпуса газовой турбины. При наличии таких вставок для горелок может произойти образование неравномерного зазора по периметру вставки для горелки, что может привести на участках с увеличенным зазором к избыточной подаче холодного воздуха. Кроме того, в связи с тем, что кроме ребер 111 предусмотрены также опорные винты 113, образуется статическая переопределенность, так как вставка 100 для горелки должна одновременно располагаться помимо ребер 111 также и на опорных винтах.
По сравнению с уровнем техники задачей настоящего изобретения является создание оптимальной вставки для горелки камеры сгорания газовой турбины. Другой задачей является создание эффективной камеры сгорания газовой турбины и эффективной газовой турбины.
Указанная задача решается с помощью камеры сгорания газовой турбины, содержащей, по меньшей мере, одну вставку для горелки, согласно пункту 1 и с помощью газовой турбины согласно пункту 7 формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения приведены оптимальные варианты выполнения изобретения.
Вставка для горелки согласно изобретению для камеры сгорания газовой турбины содержит стенку с холодной и горячей сторонами. В стенке вставки для горелки выполнено отверстие для установки горелки. Вставка для горелки содержит ограничивающий ее стенку наружный край с, по меньшей мере, частично охватывающим и выступающим над холодной стороной крайним ребром. При этом край может быть выполнен в значительной степени круговым, например, в случае применения трубчатой камеры сгорания или, например, в случае применения кольцевой камеры сгорания иметь форму края кольцевого выреза. Также в зависимости от формы камеры сгорания в принципе возможны и другие контуры.
Наличие вставки для горелки согласно изобретению увеличивает частоту собственных колебаний по сравнению с вставкой для горелки согласно уровню техники, как она описана со ссылкой на фиг.1. Поэтому вибрационная нагрузка на вставку для горелки в рабочем режиме камеры сгорания меньше по сравнению с нагрузкой на вставку для горелки из уровня техники. Кроме того, в рабочем режиме камеры сгорания газовой турбины крайнее ребро полностью располагается на несущей конструкции корпуса газовой турбины, в результате чего вдоль всего края присутствует равномерный зазор, предпочтительно нулевой. Для того чтобы при наличии нулевого зазора не прерывался поток холодного воздуха согласно варианту развития изобретения крайнее ребро содержит отверстия для прохода хладагента. Для образования отверстий крайнее ребро может содержать зубцы, между которыми образованы отверстия, и/или в нем могут быть выполнены сквозные дыры, например сверления. Благодаря тому, что в крайнем ребре могут быть образованы отверстия посредством зубцов или дыр, то становится возможной точная регулировка количества проходящего через крайнее ребро холодного воздуха путем соответствующего подбора размера зубцов или свободного диаметра дыр. В случае применения зубцов последние могут быть изготовлены путем нарушения сплошности крайнего ребра. Однако оптимально, чтобы крайнее ребро сохраняло сплошность, но зато выступало над холодной стороной на участках зубцов больше, чем на своих остальных участках. Наряду с описанными отверстиями возможны также отверстия иной формы, например щели.
Предпочтительно крайнее ребро проходит по всему краю вставки для горелки. В этом случае степень жесткости края вставки для горелки будет особенно высокой.
Согласно особому варианту выполнения вставки для горелки согласно изобретению вокруг отверстия горелки расположен кольцевой, выступающий над холодной стороной и снабженный кольцевым ребром участок стенки. В остальном стенка вставки для горелки выполнена плоской, т.е. отсутствуют какие-либо дополнительные конструкции, как, например, используемые в уровне техники ребра. В случае применения вставки для горелки согласно изобретению подобные ребра являются избыточными, так как было установлено, что равномерное распределение холодного воздуха происходит и без наличия таких ребер. Также и придание жесткости с помощью ребер не требуется для вставки для горелки согласно изобретению.
В целом благодаря вставке для горелки согласно изобретению обеспечивается экономия холодного воздуха, так как отсутствует неравномерность зазоров, способная вызывать избыточность подаваемого холодного воздуха. В результате снижения подачи холодного воздуха в камеру сгорания уменьшаются вредные выбросы газовой турбиной и повышается температура на ее входе, что в свою очередь позволяет увеличить эффективность газовой турбины. При наличии отверстий в крайнем ребре, например, в виде зубцов или сквозных отверстий, можно, кроме того, целенаправленно регулировать соответствующим подбором сечения отверстий количество подаваемого в камеру сгорания холодного воздуха. Кроме того, возможно регулирование нулевого зазора между торцевой поверхностью крайнего ребра или зубцов и несущей конструкцией или стенкой вставки для горелки. Наконец вариант выполнения вставки для горелки по изобретению обеспечивает снижение стоимости, так как отпадает необходимость в использовании болтов жесткости и поэтому по сравнению с описанной во вступительной части вставкой для горелки требуется меньше конструктивных элементов.
Камера сгорания согласно изобретению, предназначенная для газовой турбины, содержит, по меньшей мере, одну горелку, по меньшей мере, одну стенку камеры сгорания, охватывающую внутреннее пространство камеры сгорания, и, по меньшей мере, одну расположенную на стороне горелки ограждающую стенку камеры сгорания. Камера сгорания содержит установленную на несущей конструкции корпуса газовой горелки вставку для горелки, которая имеет стенку с холодной и горячей сторонами, при этом в этой стенке вставки для горелки выполнено отверстие для установки горелки. Вставка для горелки имеет край, ограничивающий стенку вставки для горелки, который имеет, по меньшей мере, частично охватывающее, выступающее над холодной стороной крайнее ребро и отверстия для прохода холодного воздуха. Причем крайнее ребро имеет зубцы, между которыми образованы отверстия, стенка вставки с холодной и горячей сторонами образует, по меньшей мере, ограждающую стенку камеры сгорания, причем горячая сторона стенки вставки для горелки обращена в сторону внутреннего пространства камеры сгорания. При этом крайнее ребро полностью располагается на несущей конструкции корпуса газовой турбины. В камере сгорания согласно изобретению ее стенка - в случае применения трубчатой камеры сгорания - может быть выполнена цилиндрической. В случае же применения кольцевой камеры сгорания присутствуют две ее стенки, а именно одна радиально наружная и одна радиально внутренняя стенки.
Следовательно, обеспечиваемые вставкой для горелки согласно изобретению преимущества достигаются в камере сгорания согласно изобретению, предназначенной для газовой турбины.
В камере сгорания согласно изобретению, предназначенной для газовой турбины, может быть предусмотрен зазор между ограждающей стенкой, образованной, по меньшей мере, одной вставкой для горелки, и, по меньшей мере, одной стенкой камеры сгорания, при этом зазор обеспечивает поступление холодного воздуха от холодной стороны вставки для горелки в камеру сгорания.
В случае применения кольцевой камеры сгорания газовой турбины с кольцевым внутренним пространством, образованным между внутренней и наружной стенками камеры сгорания, расположенная на стороне горелки ограждающая стенка камеры сгорания может быть образована, в частности, серией вставок для горелок, расположенных друг возле друга по периметру камеры сгорания. Между смежными вставками для горелок могут быть предусмотрены зазоры, обеспечивающие поступление холодного воздуха между вставками для горелок в кольцевую камеру сгорания.
Газовая турбина согласно изобретению оснащена, по меньшей мере, одной камерой сгорания, выполненной в виде камеры сгорания согласно изобретению. Кроме того, газовая турбина согласно изобретению содержит резервуар с хладагентом, например сообщенный с выходом компрессора пленум (резервуар) камеры сгорания, при этом холодная сторона стенки вставки для горелки аэрогидродинамически связана с резервуаром для хладагента. Такая газовая турбина позволяет реализовать преимущества камеры сгорания с вставкой для горелки согласно изобретению.
Другие признаки, свойства и преимущества настоящего изобретения приведены в описании примера выполнения со ссылкой на приложенные фигуры. При этом изображено:
фиг.1 - вставка для горелки согласно уровню техники;
фиг.2 - газовая турбина в продольном частичном разрезе;
фиг.3 - вид с частичным разрезом в перспективе на кольцевую камеру сгорания;
фиг.4 - вставка для горелки согласно изобретению;
фиг.5 - край вставки для горелки на фиг.4;
фиг.6 - детальный вид на край вставки для горелки;
фиг.7 - детальный вид на край измененной вставки для горелки.
На фиг.2 показана газовая турбина 1 в продольном разрезе. Она содержит участок 3 компрессора, участок 5 камеры сгорания и участок 7 турбины. Вал 9 проходит через все эти участки газовой турбины 1. На участке 3 компрессора вал 9 оснащен венцами рабочих лопаток 11 компрессора, а на участке 7 турбины - венцами рабочих лопаток 13 турбины. Между венцами рабочих лопаток располагаются на участке 3 компрессора венцы направляющих лопаток 15 компрессора, а на участке 7 турбины - венцы направляющих лопаток 17 турбины. Направляющие лопатки располагаются от корпуса 19 газотурбинной установки 1 по существу в радиальном направлении к валу 9.
При работе газовой турбины 1 воздух 23 засасывается через воздухозаборник 21 на участке 3 компрессора и сжимается рабочими лопатками 11 компрессора. Сжатый воздух подается в расположенную на участке 5 камеру сгорания 25, которая в данном примере выполнения является кольцевой и в которую также подается газообразное или жидкое топливо через, по меньшей мере, одну горелку 27. Образовавшаяся при этом воздушно-топливная смесь воспламеняется и сжигается в камере 25 сгорания. По траектории 29 течения горячие газообразные продукты сгорания устремляются на участок 7 турбины, где они расширяются, охлаждаются и при этом передают импульс на рабочие лопатки 13 турбины. При этом направляющие лопатки 17 турбины служат в качестве сопел для оптимизации передачи импульсов на рабочие лопатки 13. Вращение вала 9, вызванное передачей импульса, используется для приведения в действие потребителя, например электрического генератора. Газообразные продукты сгорания, давление которых уменьшилось и которые охладились, отводятся, наконец, через выпускное отверстие 31 из газовой турбины 1.
Кольцевая камера сгорания 25 изображенной на фиг.2 газовой турбины показана на фиг.3 с частичным разрезом и в перспективе. Можно различить наружную 33 и внутреннюю 35 стенки камеры сгорания. Как наружная 33, так и внутренняя 35 стенки камеры сгорания облицованы устойчивой к горячим газам футеровкой, состоящей из элементов 37 теплозащитного экрана. В данном примере выполнения в качестве элементов теплозащитного экрана могут использоваться керамические элементы. На конце камеры сгорания, обращенном к участку 7 турбины, предусмотрено отверстие 39 для выхода горячих газов, через которое образующиеся внутри камеры сгорания 25 горячие газообразные продукты сгорания могут поступать в турбину. На конце камеры сгорания 25, расположенном напротив отверстия 39 для выхода горячих газов, находится ограждающая стенка 5 камеры сгорания, образованная вставками 41 для горелок. В каждой вставке 41 расположена горелка 27. Вставки 41 для горелок не связаны при этом непосредственно с наружной 33 и внутренней 35 стенками камеры сгорания и расположены на несущей конструкции (не показана), которая в свою очередь закреплена на корпусе газовой турбины. Между отдельными вставками 41 для горелок, с одной стороны, а также наружной 33 и внутренней 35 стенками, с другой стороны, предусмотрен зазор, обеспечивающий поступление холодного воздуха по соответствующей стенке во внутрь камеры сгорания. Кроме того, вставки 41 для горелок расположены так, что между ними, т.е. между смежными по периметру кромками вставок 41 для горелок, остаются зазоры, обеспечивающие поступление холодного воздуха внутрь камеры сгорания.
Вставка для горелки показана на фиг.4 с частичным разрезом и в перспективе. Она содержит стенку 42 с холодной стороной 43 и горячей стороной 44, которая должна быть обращена в сторону внутреннего пространства камеры сгорания (горячая сторона на фиг.4 не показана). Холодная сторона 43 аэрогидродинамически связана с выходом компрессора, благодаря чему воздух из компрессора может подаваться для охлаждения по холодной стороне 43 с тем, чтобы можно было поддерживать температуру горячей стороны на приемлемом для материала вставки 41 для горелки уровне. Кроме того, горячая сторона снабжена теплоизолирующим покрытием, выполненным, например, в виде керамического покрытия и предназначенным для снижения расхода холодного воздуха.
По своему центру вставка 41 для горелки содержит отверстие 45, в которое может вставляться своей выходной стороной горелка 27. Отверстие 45 ограничено участком 47 стенки 42 вставки для горелки, выступающим над холодной стороной 43. От этого выступающего участка 47 проходит в радиальном направлении относительно отверстия 45 кольцевое ребро, с помощью которого вставка 41 для горелки может закрепляться на удерживающей конструкции.
В данном примере выполнения весь наружный край 46 вставки 41 для горелки снабжен крайним ребром 51, выступающим над холодной стороной 43, придающим краю 46 повышенную жесткость и обеспечивающим увеличение частоты собственных колебаний стенки 42 вставки для горелки. Детальные виды на край 46 с крайним ребром 51 показаны на фиг.5 и 6.
Крайнее ребро 51 имеет зубцы 53, образованные участками крайнего ребра 51, выступающими над холодной стороной 43 в большей степени, чем остальные участки 54 крайнего ребра 51. Если вставка для горелки закреплена на несущей конструкции и образует часть ограждающей стенки камеры сгорания, то зубцы 53 вместе с наиболее удаленными от холодной стороны 43 торцевыми поверхностями 55 прилегают к опорной поверхности удерживающей конструкции с образованием нулевого зазора. В этом случае между зубцами 53 будут образованы окна 57, через которые холодный воздух, подаваемый, как правило, от компрессора в зону выступающего стенового участка 47, может перетекать в камеру сгорания. Тогда холодный воздух может перемещаться для охлаждения вдоль холодной стороны 43, которая выполнена совершенно плоской вплоть до крайнего ребра 51 и выступающего стенового участка 47. Окна 57 между зубцами 53 представляют собой предназначенные для потока холодного воздуха отверстия с заданным проходным сечением, поскольку торцевые поверхности 55 зубцов 53 прилегают к опорной конструкции с образованием нулевого зазора. Путем соответствующего подбора ширины и высоты участков 54 крайнего ребра между зубцами 53 по отношению к высоте и ширине зубцов 53 можно целенаправленно регулировать количество поступающего в камеру сгорания холодного воздуха. Благодаря повышенной жесткости, обеспечиваемой краю 46 крайним ребром 51, не возникает существенных отклонений по величине зазора между поверхностями 55 зубцов и опорной поверхностью, в результате чего определяемое окнами живое сечение потока холодного воздуха сохраняется по существу постоянным также во время работы газовой турбины. Поэтому избыточная подача холодного воздуха вследствие увеличения размеров зазора может быть существенно сокращена по сравнению с уровнем техники, что в свою очередь ведет к снижению подачи холодного воздуха в камеру сгорания и, следовательно, в конечном итоге к снижению выбросов вредных веществ и повышению температуры на входе в турбину.
Хотя крайнее ребро 51 в приведенном на фиг.4-6 примере выполнения и снабжено зубцами 53 для образования окон 57 для подачи холодного воздуха, однако возможно также оставить крайнее ребро 51 равномерно выступающим над холодной стороной 43. Тогда проход холодного воздуха может быть обеспечен посредством сквозных отверстий 59, выполненных, например, в виде сверлений. Соответствующий пример выполнения вставки для горелки согласно изобретению показан на фиг.7.
Хотя в приведенных примерах выполнения крайнее ребро располагается вдоль всего наружного края 46 вставки 41 для горелки, однако возможны также такие варианты выполнения, в которых участки наружного края 46 вставки 41 для горелки не содержат крайнего ребра 51. Кроме того, возможны варианты выполнения цилиндрических камер сгорания. Согласно одному из таких вариантов выполнения наружный край вставки для горелки был бы выполнен, по существу, круговым и крайнее ребро располагалось бы вдоль, по меньшей мере, части периметра, предпочтительно по всему периметру.
Благодаря изобретению увеличивается частота собственных колебаний вставки для горелки и одновременно обеспечивается целенаправленное регулирование потока холодного воздуха, поступающего в камеру сгорания, в результате чего холодный воздух может протекать только через предварительно заданные зазоры. Тем самым благодаря изобретению достигаются дополнительные преимущества, как, например, более продолжительный срок службы вставки для горелки и - вследствие экономии расхода холодного воздуха благодаря вставке для горелки - снижение выбросов вредных веществ при той же мощности газовой турбины, снабженной вставками для горелок согласно изобретению, если при этом сэкономленный холодный воздух подается в горелку. В качестве альтернативы при равных выбросах вредных веществ возрастает мощность газовой турбины.
1. Камера (25) сгорания газовой турбины, содержащая, по меньшей мере, одну горелку (27), по меньшей мере, одну охватывающую внутреннее пространство камеры сгорания стенку (33, 35) и расположенную на стороне горелки ограждающую стенку камеры сгорания, причем предусмотрена, по меньшей мере, одна установленная на несущей конструкции корпуса газовой турбины вставка (41) для горелки, которая имеет стенку (42) с холодной (43) и горячей (44) сторонами, при этом в стенке (42) вставки (41) для горелки выполнено отверстие (45) для установки горелки (27), и край (46), ограничивающий стенку (42) вставки (41) для горелки, имеющий, по меньшей мере, частично охватывающее, выступающее над холодной стороной (43) крайнее ребро (51) и отверстия (57) для прохода холодного воздуха, причем крайнее ребро (51) имеет зубцы (53), между которыми образованы отверстия (57), при этом стенка (42) вставки (41) для горелки образует, по меньшей мере, частично ограждающую стенку камеры сгорания, а горячая сторона (44) стенки (42) обращена в сторону внутреннего пространства камеры сгорания, отличающаяся тем, что крайнее ребро (51) полностью располагается на несущей конструкции корпуса газовой турбины, а зубцы (53) образованы участками крайнего ребра (51), выступающими над холодной стороной (43) больше, чем остальные участки (54) крайнего ребра (51), при этом крайнее ребро (51), проходящее по всему краю (46), имеет отверстия (57) по всему краю (46).
2. Камера (25) по п.1, отличающаяся тем, что вокруг отверстия (45) горелки расположен кольцевой стеновой участок (47), выступающий над холодной стороной (43) и содержащий кольцевую перемычку (49), а стенка (42) вставки (41) для горелки выполнена плоской.
3. Камера (25) по п.2, отличающаяся тем, что между ограждающей стенкой камеры сгорания, образованной, по меньшей мере, одной вставкой (41) для горелки, и, по меньшей мере, одной стенкой (33, 35) камеры сгорания, предусмотрен зазор.
4. Камера (25) по п.2 или 3, отличающаяся тем, что она выполнена в виде кольцевой камеры сгорания с внутренним кольцевым пространством, образованным между внутренней (35) и наружной (33) стенками камеры сгорания, а расположенная на стороне горелки ограждающая стенка камеры сгорания образована множеством вставок (41) для горелок, расположенных друг возле друга по периметру кольцевой камеры (25) сгорания.
5. Камера (25) по п.4, отличающаяся тем, что между соседними вставками (41) для горелок предусмотрены зазоры.
6. Газовая турбина (1), по меньшей мере, с одной камерой (25) сгорания, отличающаяся тем, что:
- по меньшей мере, одна камера (25) сгорания газовой турбины представляет собой камеру сгорания газовой турбины по любому из пп.1-5,
- предусмотрено наличие резервуара для хладагента,
- холодная сторона (43) стенки (42) вставки (41) для горелки аэрогидродинамически связана с резервуаром для хладагента.
