Камера сгорания газовой турбины
Изобретение относится к газотурбостроению. Камера сгорания газовой турбины включает в себя гильзу сгорания, которая образует полость камеры сгорания для выработки газа сгорания, кожух сгорания, размещенный с внешней окружной стороны гильзы сгорания, и горелку для подачи воздуха, проходящего между гильзой сгорания и кожухом сгорания, и топлива, подаваемого из системы подачи топлива, в полость камеры сгорания, причем камера сгорания газовой турбины содержит: лопатку, размещенную с внешней окружной стороны гильзы сгорания; множество кронштейнов, размещенных с внутренней стороны кожуха сгорания и предназначенных для крепления лопатки; и отверстие для демпфирования динамики давления, сформированное в гильзе сгорания в положении, соответствующем лопатке, для сообщения с полостью камеры сгорания. Зазоры, образованные между внешней окружной поверхностью гильзы сгорания и внутренней окружной поверхностью лопатки, выполнены отличными друг от друга в окружном направлении гильзы сгорания. Зазор, образованный между внешней окружной поверхностью гильзы сгорания и внутренней окружной поверхностью лопатки с одной стороны кронштейна, отличается от зазора, образованного между внешней окружной поверхностью гильзы сгорания и внутренней окружной поверхностью лопатки с другой стороны кронштейна. Изобретение позволяет снизить выбросы NOX, колебания давления, вызываемые колебаниями сгорания, обеспечить механическую надежность. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 6 ил.
Настоящее изобретение относится к камере сгорания газовой турбины.
Камеры сгорания газовых турбин некоторых типов используют в качестве топлива сжиженный природный газ. В этом случае с точки зрения сохранения окружающей среды, чтобы подавить выброс оксидов азота (NOx), как причины загрязнения воздуха, применяется режим сжигания с предварительным смешиванием для сжигания предварительно подготовленной смеси воздуха и топлива.
В режиме сгорания с предварительным смешиванием предварительно подготовленная смесь воздуха и топлива может подавлять образование локально высокотемпературной области сгорания при горении. Следовательно, можно подавлять образование оксидов азота из области высокотемпературного сжигания.
Как правило, режим сгорания с предварительным смешиванием позволяет снизить количество образующихся оксидов азота. Однако в определенном случае режим не может стабилизировать состояние горения, что приводит к колебаниям горения, которые периодически изменяют давление в полости камеры сгорания. Поэтому режим сжигания с предварительным смешиванием комбинируют с режимом диффузионного горения, который отлично стабилизирует состояние горения.
Однако для дополнительного подавления количества образующихся оксидов азота при использовании диффузионного сжигания и сжигания с предварительным смешиванием в комбинации может быть увеличена степень сжигания с предварительным смешиванием или может использоваться полное сжигание с предварительным смешиванием. В этом случае, чтобы ослабить колебания давления, вызываемые колебаниями сгорания, на внешней окружной поверхности гильзы сгорания, образующей полость камеры сгорания, устанавливают акустическую гильзу для ослабления колебаний давления, вызываемых колебаниями сгорания.
Пример уровня техники в этой области включает в себя WO 2013/077394.
Раскрытая камера сгорания газовой турбины содержит цилиндр сгорания и акустическую гильзу, прикрепленную к внешней стороне цилиндра сгорания для образования пространства с внешней окружной поверхностью цилиндра сгорания. Цилиндр сгорания снабжен группой сквозных отверстий. Сквозные отверстия сформированы с интервалами по окружности в виде множества рядов, размещенными с интервалами в осевом направлении (см. описание в разделе "КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ WO 2013/077394").
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В WO 2013/077394 раскрыта камера сгорания газовой турбины, включающая в себя акустическую гильзу. Раскрытая акустическая гильза прикреплена к цилиндру сгорания (к гильзе сгорания).
Если раскрытая акустическая гильза прикреплена к гильзе сгорания в качестве высокотемпературного компонента, то для обеспечения механической надежности требуется процесс охлаждения за счет подачи продувочного воздуха в пространство между акустической гильзой и гильзой сгорания.
Задачей настоящего изобретения является создание камеры сгорания газовой турбины с относительно простой конструкцией для ослабления колебаний давления, вызываемых колебаниями сгорания, при обеспечении механической надежности.
Камера сгорания газовой турбины в соответствии с настоящим изобретением включает в себя в себя гильзу сгорания, которая образует полость камеры сгорания для выработки газа сгорания, кожух сгорания, размещенный с внешней окружной стороны гильзы сгорания, и горелку для подачи воздуха, проходящего между гильзой сгорания и кожухом сгорания, и топлива, подаваемого из системы подачи топлива, в полость камеры сгорания. Камера сгорания газовой турбины дополнительно включает в себя лопатку, размещенную с внешней окружной стороны гильзы сгорания, множество кронштейнов, размещенных с внутренней стороны кожуха сгорания и предназначенных для крепления лопатки и отверстие для демпфирования динамики давления, сформированное в гильзе сгорания в положении, соответствующем лопатке, для сообщения с полостью камеры сгорания.
Настоящее изобретение позволяет создать камеру сгорания газовой турбины с относительно простой конструкцией для ослабления колебаний давления, вызываемых колебаниями сгорания, при обеспечении механической надежности.
Проблемы, конструкции и полезные эффекты, отличные от описанных выше, будут рассмотрены при в описании следующих примеров.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - принципиальная схема газотурбинной энергетической установки, снабженной камерой 3 сгорания газовой турбины, описываемой в первом примере;
Фиг. 2 - схематический частично увеличенный вид в разрезе основной части камеры 3 сгорания газовой турбины, описываемой в первом примере;
Фиг. 3 - схематический частично увеличенный вид в разрезе основной части камеры 3 сгорания газовой турбины, описываемой во втором примере;
Фиг. 4 - схематический частично увеличенный вид в разрезе основной части камеры 3 сгорания газовой турбины, описываемой в третьем примере;
Фиг. 5 - схематический вид камеры 3 сгорания газовой турбины, описываемой в третьем примере, со стороны полости камеры сгорания; и
Фиг. 6 - схематический вид, иллюстрирующий способ работы камеры 3 сгорания газовой турбины, описываемой в третьем примере.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Ниже со ссылками на чертежи приводится описание примеров в соответствии с настоящим изобретением. По существу одинаковые или подобные конструкции обозначены одними и теми же ссылочными позициями, при повторении которых их описания не приводится.
Первый пример
Описание приводится со ссылкой на принципиальную схему газотурбинной энергетической установки, снабженной камерой 3 сгорания газовой турбины (в дальнейшем именуемой камерой сгорания) в соответствии с первым примером.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема газотурбинной энергетической установки, снабженной камерой 3 сгорания газовой турбины в соответствии с первым примером.
Газотурбинная энергетическая установка (газотурбинная электростанция), снабженная камерой 3 сгорания в соответствии с первым примером, включает в себя турбину 2, компрессор 1, соединенный с турбиной 2 и предназначенный для выработки сжатого воздуха 5 для сгорания, множество камер 3 сгорания газовой турбины и генератор 4, который соединен с турбиной 2 и вырабатывает энергию, когда турбина 2 приводится в движение. На фиг. 1 для удобства описания показана одна камера 3 сгорания.
Сжатый воздух 5, выпускаемый из компрессора 1, проходит через канал 6 для сжатого воздуха и подается в камеру 3 сгорания. В полости 8 камеры сгорания, образованной внутри гильзы 7 сгорания для камеры сгорания (далее именуемой гильзой сгорания), сжатый воздух 5 и топливо сгорают, и образуется газ 9 сгорания. Газ 9 сгорания проходит через переходник 10, подается в турбину 2 и приводит турбину 2 в действие.
Камера 3 сгорания включает в себя диффузионную горелку 20, горелку 30 с предварительным смешиванием, гильзу 7 сгорания, переходник 10, кожух 11 для камеры сгорания (далее именуемый кожухом сгорания) и торцевую крышку 12. В диффузионную горелку 20 топливо подается из диффузионной системы 21 подачи топлива, а в горелку 30 с предварительным смешиванием - топливо, подаваемое из системы 31 подачи топлива с предварительным смешиванием.
В диффузионной горелке 20 диффузионное топливо, проходящее через топливный канал 22 (через топливную форсунку), выбрасывается из отверстия 25 топливного жиклера. Кроме того, диффузионная горелка 20 снабжена завихрителем 23 для придания вихревой составляющей воздуху для горения (сжатому воздуху 5). Диффузионная горелка 20 смешивает диффузионное топливо с воздухом для горения, которому завихритель 23 придает вихревую составляющую, чтобы сформировать диффузионное пламя ниже по потоку от диффузионной горелки 20.
Горелка 30 с предварительным смешиванием позволяет устройству 34 предварительного смешивания предварительно смешивать топливо с предварительным смешиванием, выходящее через топливный канал (топливную форсунку) 32, с воздухом для сгорания (со сжатым воздухом 5). При этом смесь топлива с предварительным смешиванием и сжатого воздуха 5 образует ниже по потоку от стабилизатора 35 пламени пламя предварительной смеси.
Камера 3 сгорания включает в себя лопатку 40 и множество кронштейнов 41 в кольцевом канале 13, образованном между гильзой 7 сгорания, которая образует полость 8 камеры сгорания для выработки газа сгорания 9, и кожухом 11 сгорания, который охватывает гильзу 7 сгорания (размещен с внешней окружной стороны гильзы 7 сгорания). Лопатка 40 размещена с внешней окружной стороны гильзы 7 сгорания в кольцевом канале 13. Кронштейн 41 прикреплен к внутренней стороне кожуха 11 сгорания в кольцевом канале 13 для крепления лопатки 40.
Камера 3 сгорания имеет в гильзе 7 сгорания отверстие 42 демпфирования динамики давления, сформированное в положении, соответствующем лопатке 40, для сообщения с полостью 8 камеры сгорания.
Ниже приводится краткое описание основной части камеры сгорания 3 в соответствии с первым примером.
На фиг. 2 представлен схематический частично увеличенный вид в разрезе основной части камеры 3 сгорания газовой турбины, описываемой в первом примере.
В диффузионной горелке 20 диффузионное топливо 24, проходящее через топливный канал (через топливную форсунку) 22, выходит через отверстие 25 топливного жиклера. При этом диффузионное топливо 24 смешивается с воздухом 5а для сгорания (со сжатым воздухом 5), которому с помощью завихрителя 23 придается вихревая составляющая, в результате чего ниже по потоку от диффузионной горелки 20 образуется диффузионное пламя. То есть диффузионная горелка 20 подает воздух 5а для сгорания и диффузионное топливо 24 в полость 8 камеры сгорания.
Горелка 30 с предварительным смешиванием позволяет устройству 34 предварительного смешивания смешивать топливо 33 с предварительным смешиванием, выходящее через топливный канал 32, с воздухом 5b для сгорания (со сжатым воздухом 5). При этом достаточно перемешанная смесь топлива 33 с предварительным смешиванием и сжатого воздуха 5b создает ниже по потоку от стабилизатора 35 пламени пламя предварительного смешивания. То есть горелка 30 с предварительным смешиванием размещена с внешней окружной стороны диффузионной горелки 20 и подает воздух 5b для сгорания и топливо 33 с предварительным смешиванием в полость 8 камеры сгорания.
При получении тепловой энергии от диффузионного пламени пламя предварительной смеси стабильно горит в полости 8 камеры сгорания (и подавляет образование локально высокотемпературной области сгорания при горении). Это позволяет снизить количество образующихся оксидов азота.
Камера 3 сгорания включает в себя лопатку 40 и кронштейны 41, размещенные в кольцевом канале 13, образованном между гильзой 7 сгорания, образующей полость 8 камеры сгорания, и кожухом 11 сгорания, который охватывает гильзу 7 сгорания. Лопатка 40 размещена в кольцевом канале 13 с внешней окружной стороны гильзы 7 сгорания. Кронштейн 41 прикреплен к внутренней стороне кожуха 11 сгорания в кольцевом канале 13 для крепления лопатки 40. Камера 3 сгорания дополнительно имеет отверстие 42 демпфирования динамики давления в гильзе 7 сгорания, сформированное в положении, соответствующем лопатке 40 (в гильзе 7 сгорания в положении, соответствующем участку размещения лопатки 40), для сообщения с полостью 8 камеры сгорания.
Лопатка 40 и кронштейны 41 размещены в кольцевом канале 13, образованном с внешней окружной стороны полости 8 камеры сгорания. В частности, в предпочтительном варианте лопатку и кронштейны размещают ниже по потоку (вокруг внешней окружной стороны стабилизатора 35 пламени) в направлении потока сжатого воздуха 5, проходящего через кольцевой канал 13.
Кронштейны 41 прикреплены к внутренней стороне кожуха 11 сгорания в окружном направлении и проходят к центру для крепления лопатки 40 к кожуху 11 сгорания. Например, четыре кронштейна 41 могут быть прикреплены в окружном направлении. В предпочтительном варианте кронштейн 41 имеет обтекаемое поперечное сечение, позволяющее подавить турбулентность сжатого воздуха 5.
Лопатка 40 представляет собой кольцевой элемент (образованный в результате непрерывного вращения внешней окружной стороны гильзы 7 сгорания), прикрепленный к кронштейну 41 в кольцевом канале 13 и имеющий заданную ширину в осевом направлении гильзы 7 сгорания. То есть лопатка 40 размещена между внутренней окружной стороной кожуха 11 сгорания и внешней окружной стороной гильзы 7 сгорания (в кольцевом канале 13) и закреплена на кожухе 11 сгорания через кронштейн 41. Лопатка 40 размещена по существу параллельно гильзе 7 сгорания в радиальном направлении кольцевого канала 13. То есть лопатка 40 размещена в кольцевом канале 13, образованном между гильзой 7 сгорания и корпусом 11 сгорания, в положении вокруг внешней окружной стороны стабилизатора 35 пламени (ниже по потоку в направлении потока сжатого воздуха 5, проходящего через кольцевой канал 13).
Отверстие 42 демпфирования динамики давления сформировано в гильзе 7 сгорания в положении, соответствующем участку размещения лопатки 40 (в гильзе 7 сгорания, в положении, обращенном к лопатке 40 в радиальном направлении, то есть в положении, соответствующем лопатке 40), для сообщения между полостью 8 камеры сгорания и кольцевым каналом 13.
В окружном направлении гильзы 7 в ряд сформировано множество отверстий 42 демпфирования динамики давления, и множество рядов в окружном направлении образуют ряды в осевом направлении. При этом промежутки между отверстиями 42 демпфирования динамики давления в окружном направлении могут иметь постоянное значение или непостоянное значение. В предпочтительном варианте отверстия 42 демпфирования динамики давления в одном из рядов размещены с заданными интервалами, а отверстия в следующем ряду сформированы зигзагообразно.
То есть камера 3 сгорания в соответствии с первым примером включает в себя гильзу 7 сгорания, которая образует полость 8 камеры сгорания для выработки газа сгорания 9, кожух 11 сгорания, который охватывает гильзу 7 сгорания с ее внешней окружной стороны, горелки (диффузионная горелка 20 для подачи воздуха 5а для сгорания и диффузионного топлива 24 в полость 8 камеры сгорания, и горелка 30 с предварительным смешиванием, размещенная с внешней окружной стороны диффузионной горелки 20, для подачи воздуха 5b для сгорания и топлива 33 с предварительным смешиванием в полость 8 камеры сгорания) для подачи воздуха для сгорания, проходящего через кольцевой канал 13, образованный между гильзой 7 сгорания и кожухом 11 сгорания, и топлива (диффузионного топлива 24 и топлива 33 с предварительным смешиванием), подаваемого из системы подачи топлива (из диффузионной системы 21 подачи топлива и системы 31 подачи топлива с предварительным смешиванием).
Камера 3 сгорания включает в себя лопатку 40, кронштейны 41 и отверстие 42 демпфирования динамики давления. Лопатка 40 размещена в кольцевом канале 13, образованном между гильзой 7 сгорания и кожухом 11 сгорания (между внешней окружной стороной гильзы 7 сгорания и внутренней окружной стороной кожуха 11 сгорания) ниже по потоку в направлении потока сжатого воздуха 5, проходящего через кольцевой канал 13. Кронштейны 41 размещены с внутренней стороны кожуха 11 сгорания для крепления лопаток 40. Отверстие 42 демпфирования динамика давления образовано в гильзе 7 сгорания в положении, соответствующем участку формирования лопатки 40, для сообщения с полостью 8 камеры сгорания.
Камера 3 сгорания с относительно простой конструкцией ослабляет колебания давления, вызываемые колебаниями сгорания, при обеспечении механической надежности. Лопатки 40 и кронштейны 41 позволяют сжатому воздуху 5, проходящему через кольцевой канал 13, проходить плавно и подавлять потерю давления.
В предпочтительном варианте положение, в котором сформировано отверстие 42 для демпфирования динамики давления (положение, в котором размещена лопатка 40), соответствует положению, которое является базовой точкой, в которой стабилизатор 35 пламени начинает создавать пламя предварительного смешивания. Это позволяет подавать сжатый воздух 5 в базовую точку пламени предварительного смешивания через отверстие 42 демпфирования динамики давления.
В частности, когда отверстия 42 демпфирования динамики давления сформированы неравномерно в окружном направлении, свойства пламени предварительного смешивания (форма пламени и температура пламени) могут быть неоднородными в окружном направлении кольцеобразного пламени предварительного смешивания. Это позволяет подавить увеличение значения амплитуды колебаний сгорания.
Волна давления, создаваемая колебаниями сгорания в полости 8 камеры сгорания, распространяется через отверстие 42 для демпфирования динамики давления, образованное в гильзе 7 сгорания, в кольцевой канал 13 и отражается лопаткой 40. То есть волна давления, распространяющаяся в кольцевом канале 13, отражается лопаткой 40, а затем ослабляется для подавления увеличения значения амплитуды колебаний сгорания. Волна давления ослабляется в результате ослабления энергии колебаний сгорания.
В предпочтительном варианте между внешней окружностью (между внешней окружной поверхностью) гильзы 7 сгорания и внутренней окружностью (внутренней окружной поверхностью) лопатки 40 делают зазор g1, рассчитываемый на основе частоты волны давления, создаваемой колебаниями сгорания. В предпочтительном варианте зазор g1 проектируют с учетом фазы волны давления, распространяющейся в кольцевом канале 13, и фазы волны отражения, отражаемой лопаткой 40. Это позволяет ослабить волну давления, распространяющуюся в кольцевом канале 13, и подавить увеличение значения амплитуды колебаний сгорания.
Так как частота затухающей волны давления изменяется в зависимости от условий сгорания (от нагрузки турбины 2, то есть от расхода топлива и расхода сжатого воздуха 5), в предпочтительном варианте используют частоту волны давления, генерируемой в условиях сгорания при номинальной нагрузке турбины 2, в предположении длительного периода эксплуатации.
Камера сгорания в соответствии с первым примером поддерживает низкое количество образующихся оксидов азота для поддержания стабильного состояния сгорания (для стабильного сгорания пламени) и подавляет колебания сгорания, которые периодически изменяют давление в полости 8 камеры сгорания (поддерживает значение амплитуды колебаний сгорания на заданном уровне или ниже).
Камера сгорания в соответствии с первым примером имеет относительно простую конструкцию и способна подавлять увеличение значения амплитуды колебаний сгорания, возникающих при горении. Камера сгорания обеспечивает механическую надежность элемента (лопатки 40), который ослабляет колебания давления, вызываемые колебаниями сгорания.
Второй пример
Ниже приводится краткое описание основной части камеры 3 сгорания в соответствии со вторым примером.
На фиг. 3 представлен схематический частично увеличенный вид в разрезе основной части камеры 3 сгорания газовой турбины в соответствии со вторым примером.
Камера 3 сгорания в соответствии со вторым примером отличается от камеры 3 сгорания в соответствии с первым примером использованием проточной втулки 50 вместо кронштейна 41 и лопатки 40.
Проточная втулка 50 представляет собой кольцевой элемент, размещенный в кольцевом канале 13 по существу параллельно гильзе 7 сгорания в радиальном направлении кольцевого канала 13, через который проходит сжатый воздух 5, для сужения площади его поперечного сечения.
При этом проточная втулка 50 размещена так, что расширяется в сторону внешней окружности ниже по потоку в направлении потока сжатого воздуха 5, проходящего через кольцевой канал 13 (вокруг внешней окружной стороны стабилизатора 35 пламени). Проточная втулка 50 закреплена на внутренней окружной стороне кожуха 11 сгорания.
Один участок проточной втулки 50 проходит по существу параллельно гильзе 7 сгорания, а другой - расширяется в сторону внешней окружности.
Проточная втулка 50 отражает волну давления, распространяющуюся в кольцевом канале 130 (в суженном кольцевом канале 13) через отверстие 42 демпфирования динамики давления, образованное в гильзе 7 сгорания. Отверстие 42 демпфирования динамики давления сформировано в гильзе 7 сгорания по существу параллельно гильзе в положении, соответствующем проточной втулке 50.
В частности, камера 3 сгорания в соответствии со вторым примером включает в себя гильзу 7 сгорания, которая образует полость 8 камеры сгорания для выработки газа 9 сгорания, кожух 11 сгорания, размещенный с внешней окружной стороны гильзы 7 сгорания, и горелки (диффузионную горелку 20 и горелку 30 с предварительным смешиванием) для подачи сжатого воздуха 5, проходящего между гильзой 7 сгорания и кожухом 11 сгорания, и топлива (диффузионного топлива 24 и топлива 33 с предварительным смешиванием), подаваемого из системы подачи топлива (из диффузионной системы 21 подачи топлива и системы 31 подачи топлива с предварительным смешиванием).
Камера 3 сгорания включает в себя проточную втулку 50, размещенную с внешней окружной стороны гильзы 7 сгорания, и отверстие 42 демпфирования динамики давления, сформированное в гильзе 7 сгорания в положении, соответствующем проточной втулке 50, для сообщения с полостью 8 камеры сгорания.
Волна давления, создаваемая колебаниями сгорания в полости 8 камеры сгорания, распространяется через отверстие 42 демпфирования динамики давления, образованное в гильзе 7 сгорания, в кольцевой канал 130, и отражается проточной втулкой 50. Волна давления, распространяющаяся в кольцевом канале 130, отражается проточной втулкой 50, а затем ослабляется, так что увеличение значения амплитуды колебаний сгорания подавляется. Проточная втулка 50 ослабляет колебания давления, вызываемые колебаниями сгорания, и повышает эффект охлаждения гильзы 7 сгорания, скорость потока сжатого воздуха 5 и эффект ректификации сжатого воздуха 5.
При установке проточной втулки 50 в камере 3 сгорания зазор g1 между внешней окружностью (внешней окружной поверхностью) гильзы 7 сгорания и внутренней окружностью (внутренней окружной поверхностью) проточной втулки 50 рассчитывается на основе частоты волны давления, создаваемой колебаниями сгорания. То есть зазор g1 рассчитывается в соответствии с камерой 3 сгорания для регулирования площади поперечного сечения кольцевого канала 13. Проточная втулка 50 спроектирована с учетом заданной производительности камеры 3 сгорания (охлаждения гильзы 7 сгорания, скорости потока и ректификация сжатого воздуха 5).
Как указано выше, зазор g1 рассчитан на основе частоты волны давления, создаваемой колебаниями сгорания, и заданной производительности камеры 3 сгорания.
В предпочтительном варианте положение формирования отверстия 42 для демпфирования динамики давления соответствует положению базовой точки, в которой стабилизатор 35 пламени начинает создавать пламя предварительного смешивания. Это дает возможность вводить сжатый воздух 5 в положении, являющемся базовой точкой пламени предварительного смешивания, через отверстие 42 демпфирования динамики давления.
В частности, когда отверстия 42 демпфирования динамики давления сформированы неравномерно в окружном направлении, свойства пламени предварительного смешивания могут быть неоднородными в окружном направлении кольцеобразного пламени предварительного смешивания. Так как свойства пламени предварительного смешивания становятся неоднородными в окружном направлении, то увеличение значения амплитуды колебаний сгорания может быть подавлено.
Отверстия 42 демпфирования динамики давления сформированы ниже по потоку (вокруг внешней окружности стабилизатора 35 пламени) в направлении потока сжатого воздуха 5, проходящего через кольцевой канал 13 для сообщения между полостью 8 камеры сгорания и кольцевым каналом 13. Отверстия 42 демпфирования динамики давления размещены в ряд в окружном направлении гильзы 7 сгорания. Множество рядов (два ряда во втором примере) в окружном направлении размещены в осевом направлении. Отверстия 42 демпфирования динамики давления могут подавлять увеличение значения амплитуды колебаний сгорания либо в одном ряду, либо в трех или более рядах.
При этом, когда много рядов отверстий 42 для демпфирования динамики давления сформировано в осевом направлении, скорость потока сжатого воздуха 5, вводимого в полость 8 камеры сгорания через отверстия 42 для демпфирования динамики давления, увеличивается. В результате усиливается эффект подавления увеличения значения амплитуды колебаний сгорания. Однако так как расход воздуха для сгорания снижается, то количество образующихся оксидов азота увеличивается. Поэтому отверстия 42 демпфирования динамики давления спроектированы с учетом баланса между скоростью потока сжатого воздуха 5, вводимого в полость 8 камеры сгорания через отверстия 42 демпфирования динамики давления, и скоростью потока воздуха для сгорания.
В предпочтительном варианте камера 3 сгорания включает в себя ребро 51, являющееся кольцевым элементом, размещенным с внешней окружной стороны гильзы 7 сгорания ниже по потоку от отверстий 42 демпфирования динамики давления (ниже по потоку в направлении потока сжатого воздуха 5, проходящего через кольцевой канал 13). Ребро 51 способно регулировать скорость потока сжатого воздуха 5, проходящего через кольцевой канал 130, образованный между внешней окружностью гильзы 7 сгорания и внутренней окружностью проточной втулки 50 в соответствии с техническими характеристиками (размером, формой и т.д.) и положением крепления.
Волна давления, создаваемая колебаниями сгорания в полости 8 камеры сгорания, распространяется через отверстия 42 для демпфирования динамики давления в кольцевой канал 130 и отражается проточной втулкой 50. Скорость потока сжатого воздуха 5, проходящего через кольцевой канал 130, может влиять на характеристики ослабления волны давления. Ребро 51 служит для регулирования скорости потока сжатого воздуха 5, проходящего через кольцевой канал 130, и поддержания характеристик ослабления волны давления.
При этом во втором примере ребро 51 прикреплено к внешней окружности гильзы 7 сгорания ниже по потоку от отверстий 42 демпфирования динамики давления. Ребро 51 также может быть прикреплено к внешней окружности гильзы 7 сгорания выше по потоку от отверстий 42 демпфирования динамики давления. В варианте осуществления каждое из ребер 51 может быть прикреплено к внешней окружности гильзы 7 сгорания выше и ниже по потоку от отверстий 42 демпфирования динамики давления. В любом из описанных выше случаев ребро может регулировать скорость потока сжатого воздуха 5, проходящего через кольцевой канал 130.
При этом камера 3 сгорания в соответствии с первым примером также может иметь ребро 51, а камера 3 сгорания в соответствии со вторым примером не обязательно должна иметь ребро 51.
Камера сгорания в соответствии со вторым примером подавляет количество образующихся оксидов азота для поддержания стабильного состояния сгорания (для стабильного горения пламени) и обеспечивает подавление колебаний сгорания, которые периодически изменяют давление в полости 8 камеры сгорания (поддерживает значение амплитуды горения колебания на заданном уровне или ниже).
Камера сгорания в соответствии со вторым примером имеет относительно простую конструкцию и способна подавлять увеличение значения амплитуды колебаний сгорания при горении. Камера сгорания обеспечивает механическую надежность элемента (проточной втулки 50) для ослаблений колебаний давления, вызываемых колебаниями сгорания.
Третий пример
Ниже приводится краткое описание основной части камеры 3 сгорания в соответствии третьим примером.
На фиг. 4 представлен схематический частично увеличенный вид в разрезе основной части камеры 3 сгорания газовой турбины в соответствии с третьим примером.
Камера 3 сгорания в соответствии с третьим примером отличается от камеры 3 сгорания в соответствии с первым примером положением размещения кронштейнов 41 и лопатки 40 в окружном направлении.
В камере 3 сгорания в соответствии с первым примером зазор g1 между внешней окружностью (внешней окружной поверхностью) гильзы 7 сгорания и внутренней окружностью (внутренней окружной поверхностью) лопатки 40 является постоянным в окружном направлении. А в камере 3 сгорания в соответствии с третьим примером зазор между внешней окружностью (внешней окружной поверхностью) гильзы 7 сгорания и внутренней окружностью (внутренней окружной поверхностью) лопатки 40 постоянным в окружном направлении не является.
В частности, в третьем примере зазор между внешней окружностью гильзы 7 сгорания и внутренней окружностью лопатки 40 меняется в окружном направлении гильзы 7 сгорания. В положении А гильзы 7 сгорания в окружном направлении зазор между внешней окружной поверхностью гильзы 7 сгорания и внутренней окружной поверхностью лопатки 40а имеет значение g1. В положении В гильзы 7 сгорания в окружном направлении зазор между внешней окружной поверхностью гильзы 7 сгорания и внутренней окружной поверхностью лопатки 40d имеет значение g2.
Таким образом, в третьем примере зазор между внешней окружной поверхностью гильзы 7 сгорания и внутренней окружной поверхностью лопатки 40 меняется в окружном направлении гильзы 7 сгорания.
Ниже приводится описание камеры 3 сгорания в соответствии с третьим примером со стороны полости камеры сгорания.
На фиг. 5 представлен схематический вид камеры 3 сгорания газовой турбины в соответствии с третьим примером со стороны полости камеры сгорания.
Камера 3 сгорания в соответствии с третьим примером имеет горелку 30 с предварительным смешиванием, разделенную четырьмя перегородками 36а, 36b, 36с и 36d горелки с предварительным смешиванием. Устройство 34 предварительного смешивания разделено на четыре устройства 34а, 34b, 34с и 34d предварительного смешивания. Система 31 подачи предварительно смешанного топлива для подачи предварительно смешанного топлива в горелку 30 с предварительным смешиванием также разделена на четыре системы 31а, 31b, 31с и 31d подачи предварительно смешанного топлива. Каждая из систем подачи предварительно смешанного топлива подает предварительно смешанное топливо в устройства 34а, 34b, 34с и 34d предварительного смешивания по отдельности.
В положениях, соответствующих устройствам 34а, 34b, 34с и 34d предварительного смешивания, в соответствующих центрах этих устройств предварительного смешивания с внешней окружной стороны размещены четыре кронштейна 41а, 41b, 41с и 41d. Эти четыре кронштейна 41а, 41b, 41с и 41d проходят от внутренней стороны кожуха 11 сгорания к центру и размещены с равными интервалами вдоль окружности кожуха 11 сгорания.
К четырем кронштейнам 41а, 41b, 41с и 41d прикреплены соответствующие лопатки 40а, 40b, 40с и 40d. В частности, лопатка 40b проходит между кронштейнами 41а и 41b, лопатка 40с проходит между кронштейнами 41b и 41с, лопатка 40d проходит между кронштейнами 41с и 41d, а лопатка 40а проходит между кронштейнами 41d и 41а.
Зазор между внешней окружностью гильзы 7 сгорания и внутренней окружностью лопатки 40а, а также зазор между внешней окружностью гильзы 7 сгорания и внутренней окружностью лопатки 40с имеют значение g1. Зазор между внешней окружностью гильзы 7 сгорания и внутренней окружностью лопатки 40b, а также зазор между внешней окружностью гильзы 7 сгорания и внутренней окружностью лопатки 40d имеет значение g2.
При этом положение А гильзы 7 сгорания в окружном направлении на фиг. 4 соответствует положению А на фиг. 5. Положение В гильзы 7 сгорания в окружном направлении на фиг. 4 соответствует положению В на фиг. 5.
Конус 26 поддерживает диффузионную горелку 20 и имеет сформированные в нем отверстия 27 для воздуха.
В камере 3 сгорания в соответствии с третьим примером могут быть сформированы зазоры (g1 и g2) двух видов. Это позволяет подавить увеличение значения амплитуды колебаний сгорания до каждой частоты двух видов волн давления, создаваемых колебаниями сгорания. То есть можно рассматривать два типа фаз (фаз волн, отражаемых лопаткой 40), которые компенсируют фазы двух типов волн давления.
Ниже приводится описание способа работы камеры 3 сгорания газовой турбины в соответствии с третьим примером.
Фиг. 6 схематично иллюстрирует способ работы камеры 3 сгорания газовой турбины в соответствии с третьим примером, причем ось х представляет собой нагрузку турбины 2, а ось у - расход топлива, подаваемого в каждую горелку (в диффузионную горелку 20 и в горелку 30 с предварительным смешиванием).
Расход топлива в диффузионной горелке 20 обозначен как топливо F-21. Предварительно смешиваемое топливо, подаваемое в устройство 34а предварительного смешивания, обозначено как топливо F-34a. Предварительно смешиваемое топливо, подаваемое в устройство 34b предварительного смешивания, обозначено как топливо F-34b. Предварительно смешиваемое топливо, подаваемое в устройство 34с предварительного смешивания, обозначено как топливо F-34c. Предварительно смешанное топливо, подаваемое в устройство 34d предварительного смешивания, обозначено как топливо F-34d. Точка а обозначает состояние без нагрузки при номинальной скорости, а точка f обозначает номинальную нагрузку.
В диапазоне нагрузок от точки а до точки b топливо F-21 подается в диффузионную горелку 20.
Когда нагрузка достигает точки b, подача топлива F-21 уменьшается, а топливо F-34a подается в устройство 34а предварительного смешивания для начала сгорания предварительно смешанного топлива.
По мере увеличения нагрузки в диапазоне нагрузок от точки b до точки с подача как топлива F-21, так и F-34a увеличивается.
Когда нагрузка достигает точки с, подача как топлива F-21, так и топлива F-34a уменьшается, а топливо F-34b подается в устройство 34b предварительного смешивания.
По мере увеличения нагрузки в диапазоне нагрузок от точки с до точки d подача и топлива F-21, и топлива F-34a, и топлива F-34b увеличивается.
Когда нагрузка достигает точки d, подача и топлива F-21, и топлива F-34a и топлива F-34b уменьшается, а топливо F-34d подается в устройство 34d предварительного смешивания.
По мере увеличения нагрузки в диапазоне нагрузок от точки d до точки е подача и топлива F-21, и топлива F-34a, и топлива F-34b, и топлива F-34d увеличивается.
Когда нагрузка достигает точки е, подача и топлива F-21, и топлива F-34a, и топлива F-34b, и топлива F-34d уменьшается, а топливо F-34c подается в устройство 34с предварительного смешивания.
По мере увеличения нагрузки в диапазоне нагрузок от точки е до точки f начинается полное сгорание в горелке.
Кроме того, при нагрузке в точке f (при номинальной нагрузке) для подавления количества образующихся оксидов азота подача топлива F-21 в диффузионную горелку 20 уменьшается, и содержание предварительно смешанного топлива (F-34a, F-34b, F-34c и F-34d), подаваемого в устройства 34а, 34b, 34с и 34d предварительного смешивания, в F-21 увеличивается.
Как показано на фиг. 6, камера 3 сгорания достигает номинальной нагрузки при различных условиях сгорания. Поэтому в предпочтительном варианте в процессе увеличения нагрузки турбины 2 увеличение значения амплитуды колебаний сгорания для частот волн давления, генерируемых колебаниями горения, подавляется. В третьем примере камера сгорания способна подавлять увеличение значения амплитуды колебаний сгорания для каждой частоты двух видов волн давления, генерируемых колебаниями горения. То есть может подавляться каждое колебание горения на двух разных частотах.
В предпочтительном варианте зазор формируют в соответствии с частотой волны давления в условиях горения при номинальной нагрузке (с частотой колебаний горения, возникающих при номинальной нагрузке) турбины 2. Однако даже при номинальной нагрузке колебания сгорания на множестве частот могут возникать вследствие изменения свойств топлива, состояний топлива и значений теплотворной способности топлива. В соответствии с третьим примером, даже в случае колебаний горения, генерируемых на разных частотах, камера сгорания обеспечивает подавление колебаний горения.
Как показано на фиг. 5, в третьем примере в центре внешней окружности устройства 34а предварительного смешивания размещен кронштейн 41а. К кронштейну 41а со стороны устройства 34d предварительного смешивания прикреплена лопатка 40а, а со стороны устройства 34b предварительного смешивания к кронштейну 41а прикреплена лопатка 40b.
В частности, в окружном направлении устройства 34а предварительного смешивания зазор между внешней окружной поверхностью гильзы 7 сгорания и внутренней окружной поверхностью лопатки 40 с одной стороны кронштейна 41а отличается от зазора с другой сторона кронштейна 41а. Эта конструкция изменяет фазу потока воздуха для горения, вводимого в устройство 34а предварительного смешивания, вдоль его окружного направления.
Свойства пламени предварительной смеси могут быть неоднородными в окружном направлении кольцеобразного пламени предварительной смеси. Неоднородные свойства пламени предварительной смеси могут подавлять увеличение значения амплитуды колебаний сгорания.
В предпочтительном варианте камера 3 сгорания в соответствии с третьим примером имеет ребра 51, каждое из которых размещено выше и ниже по потоку от отверстий 42 для демпфирования динамики давления. Это позволяет поддерживать характеристики ослабления волны давления.
Камера сгорания в соответствии с третьим примером способна подавлять количество образующихся оксидов азота, поддерживать стабильное состояние сгорания (стабильное горение пламени) и подавлять колебания горения, которые периодически изменяют давление в полости 8 камеры сгорания (поддерживать значение амплитуды колебаний сгорания на заданном уровне или ниже).
Камера сгорания в соответствии с третьим примером имеет относительно простую конструкцию и способна подавлять увеличение значения амплитуды колебаний сгорания, возникающих при горении, и обеспечивать механическую надежность элемента (лопатки 40) для ослабления колебаний давления, вызываемых колебаниями сгорания.
Способ работы, представленный на фиг. 6, может быть использован применительно к первому и второму примерам.
Настоящее изобретение не ограничивается описанными выше примерами и включает в себя различные модификации. В частности, примеры были подробно описаны для облегчения понимания настоящего изобретения. Настоящее изобретение не обязательно ограничивается изобретением, имеющим все описанные выше конструкции. Можно частично заменить конструкцию одного из примеров конструкцией другого примера или частично добавить конструкцию одного из примеров к конструкции другого примера. Также возможно добавить, исключить и заменить часть конструкции одного из примеров к, из и на часть конструкции другого примера.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1 - компрессор,
2 - турбина,
3 - камера сгорания,
4 - генератор,
5 - сжатый воздух,
6 - канал для сжатого воздуха,
7 - гильза сгорания,
8 - полость камера сгорания,
9 - газ сгорания,
10 - переходник,
11 - кожух сгорания,
12 - торцевая крышка,
13 - кольцевой канал,
20 - диффузионная горелка,
21 - диффузионная система подачи топлива,
22 - топливная форсунка,
23 - завихритель,
24 - диффузионное топливо,
25 - отверстие топливного жиклера,
26 - конус,
27 - отверстие для воздуха,
30 - горелка с предварительным смешиванием,
31 - система подачи предварительно смешанного топлива,
32 - топливная форсунка,
33 - топливо с предварительным спешиванием,
34 - устройство предварительного смешивания,
35 - стабилизатор пламени,
36 - перегородка горелки с предварительным смешиванием,
40 - лопатка,
41 - кронштейн,
42 - отверстие демпфирования динамики давления,
50 - проточная втулка,
51 - ребро.
1. Камера сгорания газовой турбины, включающая в себя гильзу сгорания, которая образует полость камеры сгорания для выработки газа сгорания, кожух сгорания, размещенный с внешней окружной стороны гильзы сгорания, и горелку для подачи воздуха, проходящего между гильзой сгорания и кожухом сгорания, и топлива, подаваемого из системы подачи топлива, в полость камеры сгорания, причем камера сгорания газовой турбины содержит:
лопатку, размещенную с внешней окружной стороны гильзы сгорания;
множество кронштейнов, размещенных с внутренней стороны кожуха сгорания и предназначенных для крепления лопатки; и
отверстие для демпфирования динамики давления, сформированное в гильзе сгорания в положении, соответствующем лопатке, для сообщения с полостью камеры сгорания.
2. Камера сгорания газовой турбины по п. 1, отличающаяся тем, что кронштейн имеет обтекаемое поперечное сечение.
3. Камера сгорания газовой турбины по п. 1, отличающаяся тем, что зазоры, образованные между внешней окружной поверхностью гильзы сгорания и внутренней окружной поверхностью лопатки, выполнены отличными друг от друга в окружном направлении гильзы сгорания.
4. Камера сгорания газовой турбины по п. 1, отличающаяся тем, что зазор, образованный между внешней окружной поверхностью гильзы сгорания и внутренней окружной поверхностью лопатки с одной стороны кронштейна, отличается от зазора, образованного между внешней окружной поверхностью гильзы сгорания и внутренней окружной поверхностью лопатки с другой стороны кронштейна.
5. Камера сгорания газовой турбины по п. 4, отличающаяся тем, что четыре кронштейна размещены с равными интервалами с внутренней стороны кожуха сгорания.
6. Камера сгорания газовой турбины, включающая в себя гильзу сгорания, которая образует полость камеры сгорания для выработки газа сгорания, кожух сгорания, размещенный с внешней окружной стороны гильзы сгорания, и горелку для подачи воздуха, проходящего между гильзой сгорания и кожухом сгорания, и топлива, подаваемого из системы подачи топлива, в полость камеры сгорания, причем камера сгорания газовой турбины содержит:
проточную втулку, размещенную с внешней окружной стороны гильзы сгорания; и
отверстие для демпфирования динамики давления, сформированное в гильзе сгорания в положении, соответствующем проточной втулке, для сообщения с полостью камеры сгорания.
7. Камера сгорания газовой турбины по п. 6, отличающаяся тем, что дополнительно содержит ребро, образованное как кольцевой элемент с внешней окружной стороны гильзы сгорания ниже по потоку от отверстия для демпфирования динамики давления.
