МОДУЛЬНАЯ ИНЖЕКЦИОННАЯ ГОЛОВКА ДЛЯ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ
MODULAR INJECTION HEAD FOR THE COMBUSTION CHAMBER OF A GAS TURBINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к модульной инжекционной головке для камеры сгорания газовой турбины.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как известно, современные газовые турбины могут работать на ряде различных видов топлива, таких как различные виды жидкого и газообразного топлива, такого как природный газ и дизельное топливо. В общем случае выбор рабочего топлива зависит от цены, доступности и эксплуатационных параметров.
Несколько видов камер сгорания были разработаны для получения горячего газа посредством сжигания газообразного или жидкого топлива, которое подается в сжатом воздухе через одну или более топливных форсунок. Камера сгорания одного вида, которая оказалась эффективной, содержит топливные форсунки расположенные радиально вокруг центральной оси, и систему подачи топлива, содержащую расположенные один внутри другого, топливоподающие элементы (по меньшей мере, один, но, возможно, два или более для каждого вида топлива) с соответствующими кольцевыми распределителями и подводящими трубками. Подводящие трубки проходят в радиальном направлении внутрь от кольцевых распределителей и имеют соответствующие наружные концы, соединенные с ними. Топливные форсунки могут быть предусмотрены у внутренних концов или на боковых стенках соответствующих подводящих трубок. Топливо, или газообразное, или жидкое, подается из топливоподающих элементов к кольцевым распределителям, которые служат в качестве кольцевых камер для выравнивания давления и создания одинаковых условий впрыска во всех топливных форсунках.
Однако соединение наружных концов подводящих трубок с кольцевыми распределителями является довольно сложным и дорогим. Действительно, подводящие трубки должны быть соединены по отдельности, и компенсаторы необходимы на наружном конце каждой подводящей трубки для гашения вибраций и восприятия нагрузок, вызываемых тепловым расширением. Компенсаторы могут быть выполнены, например, в виде сильфонов, применяемых между кольцевыми распределителями и подводящими трубками. В любом случае для соединений необходимы многочисленные дополнительные компоненты, и должны быть предусмотрены соответствующие сварные швы, что может быть критичным с точки зрения механики и усложняет процесс сборки. Кроме того, конструкция инжекционных головок часто является сложной и требует изготовления нескольких компонентов помимо сложного процесса сборки, предусматривающего многочисленные этапы для соединения компонентов посредством швов, стыков и сварных соединений.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения состоит в разработке инжекционной головки для камеры сгорания газовой турбины, которая позволяет преодолеть или, по меньшей мере, уменьшить описанные ограничения.
Согласно настоящему изобретению предложена инжекционная головка для камеры сгорания газовой турбины, при этом инжекционная головка содержит завихритель и топливную вставку, проходящую вокруг центральной оси;
при этом завихритель содержит множество полых лопастей обтекаемой формы, проходящих в радиальном направлении вокруг центральной оси, и проточные каналы, образованные между соседними лопастями;
при этом завихритель содержит первый кожух, определяющий границу передней части лопаток, и второй кожух, определяющий границу задней части лопаток, при этом первый кожух и второй кожух соединены друг с другом на соединительной поверхности, поперечной к центральной оси;
при этом топливная вставка содержит блок камер, проходящий вокруг центральной оси, и множество инжекторных пальцев, каждый из которых проходит в радиальном направлении наружу от блока камер и предусмотрен с, по меньшей мере, соответствующей топливной форсункой;
и при этом инжекторные пальцы закрыты, по меньшей мере частично, соответствующими полыми лопатками, и топливные форсунки расположены так, что они проходят через второй кожух.
Модульная конструкция значительно упрощает процесс сборки инжекционной головки, поскольку требуется соединить друг с другом только малое число компонентов. Первый кожух, топливная вставка и второй кожух могут быть изготовлены по отдельности в виде отдельных элементов и собраны для формирования инжекционной головки. Первый кожух, топливная вставка и второй кожух могут быть изготовлены рациональным образом посредством технологий аддитивного производства, которые являются гибким и позволяют интегрировать сложные элементы в соответствии с предпочтениями при проектировании. Кроме того, улучшается процесс технического обслуживания и текущего ремонта, поскольку разборка конструкции является такой же простой, как сборка, и поскольку модульные компоненты могут быть заменены по отдельности в соответствующих случаях, в то время как компоненты, которые не требуют замены, могут быть сохранены.
Согласно аспекту изобретения инжекционная головка содержит прижимной стержень, проходящий вдоль центральный оси и прижимающий первый кожух и топливную вставку друг к другу.
Фиксация первого кожуха и топливной вставки в центре дополнительно упрощает сборку инжекционной головки и, кроме того, присоединение всей инжекционной головки к корпусу камеры сгорания. Действительно, первый кожух и топливная вставка могут быть дополнительно жестко соединены друг с другом, и одно соединение с конструкцией камеры сгорания, например, посредством одного из инжекторных пальцев, может обеспечить достаточную механическую прочность. Компенсация теплового напряжения также может быть улучшена посредством одного соединения. Прижимной стержень может включать в себя винтовой элемент, образующий одно целое с одним из элементов, представляющих собой первый кожух и топливную вставку, и проходящий через другой из данных элементов.
Согласно аспекту изобретения второй кожух прикреплен к первому кожуху на соединительной поверхности предпочтительно посредством наружных крепежных элементов, расположенных вокруг первого кожуха и второго кожуха и выполненных с возможностью удерживания первого кожуха и второго кожуха вплотную друг к другу, или посредством сварки.
Таким образом, все компоненты инжекционной головки могут быть легко собраны и присоединены к конструкции горелки.
Согласно аспекту изобретения первый кожух и второй кожух имеют соответствующие упрочняющие части стенок, проходящие в радиальном направлении у соединительной поверхности, и соответствующие соединительные элементы, контактно взаимодействующие друг с другом с обеспечением герметичности.
Согласно аспекту изобретения второй кожух имеет аксиальное проходное отверстие, и прижимной стержень выполнен с возможностью избирательных вставки и извлечения через аксиальное проходное отверстие.
Согласно аспекту изобретения блок камер имеет кольцевую форму, и при этом аксиальное гнездо для прижимного стержня образовано в пространстве внутри блока камер.
В конструкции топливной вставки предпочтительно используется радиальное распределение топлива посредством центрального блока камер. Прижимной блок легко размещается в кольцевом блоке камер, что обеспечивает возможность фиксации в центре без существенного увеличения занимаемого пространства.
Согласно аспекту изобретения топливная вставка содержит первичную топливную камеру, имеющую кольцевую форму и ограниченную внутренней трубчатой стенкой и наружной трубчатой стенкой, и вторичную топливную камеру, имеющую кольцевую форму и огороженную между внутренней трубчатой стенкой и наружной трубчатой стенкой первичной топливной камеры.
Размещение первичной топливной камеры и вторичной топливной камеры одна внутри другой способствует выполнению эффективной и при этом компактной конструкции топливной вставки.
Согласно аспекту изобретения топливная вставка содержит первичные топливоподводящие элементы, соединенные по текучей среде с первичной топливной камерой и ограниченные стенками соответствующих инжекторных пальцев, и вторичные топливоподводящие элементы, соединенные по текучей среде с вторичной топливной камерой и проходящие в радиальном направлении наружу внутри соответствующих первичных топливоподводящих элементов.
Согласно аспекту изобретения инжекторные пальцы включают впускной инжекторный палец, выполненный с возможностью соединения с топливоподающим коллектором и содержащий первичный впускной элемент, соединенный по текучей среде с первичной топливной камерой, и вторичный впускной элемент, соединенный по текучей среде со вторичной топливной камерой и огороженный внутри первичного впускного элемента.
Аналогично вышеуказанному, инжекторная головка имеет компактную конструкцию благодаря размещению первичной и вторичной систем распределения топлива одна внутри другой. Подача топлива через один инжекторный палец значительно способствует упрощению соединения с конструкцией камеры сгорания. В частности, компенсаторы для восприятия тепловой нагрузки и гашения механических колебаний требуются только для впускного инжекторного пальца, в то время как остальные инжекторные пальцы могут быть просто оставлены со свободными концами. Кроме того, соединение с топливоподающим коллектором может быть использовано также в качестве одного места фиксации для всей инжекционной головки, поскольку может быть обеспечена достаточная механическая прочность.
Согласно аспекту изобретения впускной инжекторный палец содержит, по меньшей мере, одну соответствующую форсунку, соединенную по текучей среде с первичным впускным элементом и со вторичным впускным элементом, и дефлектор, расположенный в первичном впускном элементе перед форсункой впускного инжекторного пальца и выполненный с возможностью уменьшения скорости первичного топлива в первичном впускном элементе до того, как первичное топливо достигнет данной, по меньшей мере, одной форсунки впускного инжекторного пальца, при этом дефлектор предпочтительно выполнен с возможностью создания вихря перед данной, по меньшей мере, одной форсункой впускного инжекторного пальца.
Дефлектор содействует обеспечению аналогичных условий впрыска во всех инжекторных пальцах, включая впускной инжекторный палец, что способствует эффективному сгоранию.
Согласно аспекту изобретения инжекционная головка содержит радиальные ребра жесткости, проходящие в радиальном направлении внутри вторичного впускного элемента.
Разница в давлении между первичным топливоподводящим элементом и вторичным топливоподводящим элементом может быть довольно большой и может вызывать опасное напряжение. При таком напряжении вторичный топливоподводящий элемент имеет склонность расширяться в радиальном направлении и может деформироваться во время эксплуатации. Такая деформация эффективно предотвращается посредством радиальных ребер жесткости, которые могут быть легко выполнены в особенности в том случае, если топливную вставку изготавливают посредством технологий аддитивного производства.
Согласно аспекту изобретения радиальные ребра жесткости соединяют противоположные стенки вторичного впускного элемента и выполнены с возможностью предотвращения расширения вторичного впускного элемента в направлении вдоль окружности, вызываемого избыточным давлением во вторичном впускном элементе по отношению к первичному впускному элементу.
Согласно аспекту изобретения инжекционная головка содержит дополнительные радиальные ребра жесткости, проходящие в радиальном направлении внутри вторичных топливоподводящих элементов инжекторных пальцев, отличных от впускного инжекторного пальца, при этом данные дополнительные радиальные ребра жесткости выполнены с возможностью предотвращения расширения соответствующих вторичных топливоподводящих элементов в направлении вдоль окружности, вызываемого избыточным давлением в соответствующих вторичных топливоподводящих элементах по сравнению с соответствующими первичными топливоподводящими элементами.
Согласно аспекту изобретения инжекционная головка содержит окружные ребра жесткости, проходящие в направлении вдоль окружности внутри вторичной топливной камеры, при этом окружные ребра жесткости соединяют противоположные стенки вторичного впускного элемента и выполнены с возможностью предотвращения расширения вторичной топливной камеры в радиальном направлении, вызываемого избыточным давлением во вторичной топливной камере по сравнению с первичной топливной камерой.
Аналогично вторичным топливоподводящим элементам, вторичная топливная камера также может подвергаться опасному напряжению, вызываемому перепадом давлений по отношению к первичной топливной камере, и расширению в радиальном направлении. Деформация предотвращается посредством окружных ребер жесткости.
Согласно аспекту изобретения камера сгорания газовой турбины содержит, по меньшей мере, инжекционную головку, определенную выше, и инжекционный коллектор, соединенный с инжекционной головкой.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение будет описано далее со ссылкой на сопровождающие чертежи, которые показывают некоторые неограничивающие варианты его осуществления и на которых:
- фиг. 1 представляет собой продольное сечение газовой турбины в сборе;
- фиг. 2 представляет собой упрощенное продольное сечение трубчатой камеры сгорания газовой турбины в сборе по фиг. 1, включающей в себя инжекционную головку в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
- фиг. 3 представляет собой вид в перспективе инжекционной головки по фиг. 2;
- фиг. 4 представляет собой вид в перспективе с пространственным разделением элементов инжекционной головки по фиг. 2 с разрезом вдоль осевой продольной плоскости;
- фиг. 5 представляет собой вид сбоку компонента инжекционной головки по фиг. 2;
- фиг. 6 представляет собой увеличенный вид сбоку первой части компонента по фиг. 5;
- фиг. 7 представляет собой поперечное сечение компонента по фиг. 5, выполненное по плоскости VII-VII на фиг. 6;
- фиг. 8 представляет собой увеличенный вид сбоку второй части компонента по фиг. 5.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Фиг. 1 показывает упрощенный вид газовой турбины в сборе, обозначенной в целом ссылочной позицией 1. Газовая турбина 1 в сборе содержит компрессорную часть 2, узел 3 с камерами сгорания и турбинную часть 5. Компрессорная часть 2 и турбинная часть 5 проходят вдоль главной оси М. Узел 3 с камерами сгорания может представлять собой одноступенчатый узел с камерами сгорания или узел с камерами сгорания последовательного действия. В одном варианте осуществления узел 3 с камерами сгорания содержит множество трубчатых камер 7 сгорания последовательного действия, расположенных по окружности вокруг главной оси М.
Компрессорная часть 2 газовой турбины 1 в сборе создает поток сжатого воздуха, который добавляется к топливу и сжигается в трубчатых камерах 7 сгорания. Воздушный поток, нагнетаемый компрессорной частью 2, подается в узел 3 с камерами сгорания и в турбинную часть 5 для охлаждения.
В узле 3 с камерами сгорания трубчатые камеры 7 сгорания соединены с турбинной частью 5 посредством соответствующих переходных каналов 8.
Часть одной из трубчатых камер 7 сгорания проиллюстрирована на фиг.2. Трубчатая камера 7 сгорания проходит вдоль центральной оси А и содержит кожух 10, жаровую трубу 11, ограничивающую проточный канал 12 для сжатого воздуха или горячего газа, и инжекционное устройство 13, выполненное с возможностью подачи регулируемого количества топлива в воздух или горячий газ в проточном канале. Трубчатая камера 7 сгорания может работать на различных видах топлива в зависимости от условий. Например, в трубчатой камере 7 сгорания газообразное топливо может использоваться в качестве первичного топлива и жидкое топливо - в качестве вторичного топлива.
Инжекционное устройство 13, в свою очередь, содержит инжекционный коллектор 14, соединенный с топливоподающими магистралями (не показанными здесь) для приема первичного топлива и вторичного топлива, и инжекционную головку 15. Инжекционный коллектор 14 соединен с инжекционной головкой 15 посредством компенсатора 17, который выполнен с конфигурацией, обеспечивающей возможность перемещений инжекционного коллектора 14 и инжекционной головки 15 друг относительно друга в аксиальном направлении и/или в радиальном направлении. Компенсатор 17 обеспечивает возможность гашения вибраций и адаптации к тепловому расширению и может быть выполнен в виде сильфона и/или или аксиального ползуна.
Инжекционная головка 15, показанная на фиг. 3 и 4, содержит завихритель 18 и топливную вставку 20, проходящую вокруг центральной оси А трубчатой камеры 7 сгорания.
Завихритель 18 содержит множество полых лопаток 21 обтекаемой формы, проходящих в радиальном направлении вокруг центральной оси А, и проточные каналы 22, образованные между соседними лопатками 21. Лопатки 21 выполнены с возможностью сообщения тангенциальной составляющей скорости потоку газа, проходящему по каналам 22, что способствует смешиванию потока газа и топлива, впрыскиваемого инжекционной головкой 15, как разъяснено позднее. Лопатки могут иметь прямые задние кромки с криволинейными участками, например, задние кромки с округлыми выступами или зигзагообразные задние кромки, для улучшения смешивания в соответствии с предпочтениями при проектировании.
Завихритель 18 содержит первый кожух 18а и второй кожух 18b, определяющие границы соответственно передней части и задней части лопаток 21. Первый кожух 18а и второй кожух 18b соединены друг с другом на соединительной поверхности S, поперечной к центральной оси А. В одном варианте осуществления соединительная поверхность S предпочтительно может представлять собой соединительную плоскость, перпендикулярную к центральной оси А. Первый кожух 18а и второй кожух 18b имеют соответствующие упрочняющие части 23а, 23b стенок, образованные за счет локально увеличенной толщины и проходящие в радиальном направлении вдоль соединительной поверхности S. Соответствующие соединительные элементы 25а, 25b предусмотрены на соединительной поверхности S и могут быть образованы элементами, контактно взаимодействующими друг с другом с обеспечением герметичности, такими как канавка и соединительное ребро.
Второй кожух 18b прикреплен к первому кожуху 18а на соединительной поверхности S, например, посредством наружных крепежных элементов 26, расположенных вокруг первого кожуха и второго кожуха и выполненных с возможностью удерживания первого кожуха 18а и второго кожуха 18b вплотную друг к другу. Крепежные элементы 26 могут включать перфорированные пластинчатые элементы, проходящие в радиальном направлении наружу от первого кожуха 18а и второго кожуха 18b, и винты, входящие в отверстия в перфорированных пластинчатых элементах. В одном варианте осуществления (непоказанном) второй кожух 18b может быть приварен к первому кожуху 18а на соединительной поверхности S.
Проходящие рядом со стенками, охлаждающие каналы 27 могут быть предусмотрены в стенках первого кожуха 18а и второго кожуха 18b и могут проходить вдоль соответствующих траекторий, образованных в соответствии с предпочтениями при проектировании.
Топливная вставка 20 содержит блок 30 камер, проходящий вокруг центральной оси А, и множество инжекторных пальцев 31, 32, которые проходят в радиальном направлении наружу от блока 30 камер. Каждый инжекторный палец 31, 32 выполнен с одной или более соответствующими топливными форсунками 35 (двумя в проиллюстрированном варианте осуществления). Кроме того, инжекторные пальцы 31, 32 закрыты, по меньшей мере частично, соответствующими полыми лопатками 21 завихрителя 18. В частности, радиально внутренние части инжекторных пальцев 31, 32, расположенные вблизи блока 30 камер, могут находиться снаружи первого кожуха 18а и второго кожуха 18b завихрителя 18, в то время как радиально наружные части заключены внутри соответствующих полых лопаток 21. Топливные форсунки 35 расположены так, что они проходят через второй кожух 18b, то есть через заднюю часть лопаток 21, для подачи первичного и/или вторичного топлива в газ, проходящий по каналам 22. Не требуется, чтобы соответствующие инжекторные пальцы 31, 32 были размещены во всех лопатках 21, и некоторые лопатки 21 могут иметь только аэродинамическую функцию. Число и конфигурация лопаток 21 и число и конфигурация инжекторных пальцев 31, 32 могут быть выбраны по отдельности в соответствии с предпочтениями при проектировании, например, для оптимизации смешивания и профиля температур на входе турбины. В одном варианте осуществления инжекторные пальцы 31 для впрыска топлива могут быть расположены, например, в каждой второй лопатке 21. В любом случае возможны другие конфигурации.
Прижимной стержень 36 предусмотрен в аксиальном гнезде 37, проходящем вдоль центральной оси А через первый кожух 18а и топливную вставку 20. Прижимной стержень 36 содержит винтовой элемент 36а и стопорную гайку 36b, которые взаимодействуют для поджима первого кожуха 18 и топливной вставки 30 друг к другу. Второй кожух 18b имеет аксиальное проходное отверстие 39, и винтовой элемент 36а выполнен с возможностью избирательных вставки и извлечения через аксиальное проходное отверстие 39. В одном варианте осуществления (непоказанном) винтовой элемент 36а образует одно целое с одним из элементов, представляющих собой первый кожух 18 и топливную вставку 20, и проходит через другой из данных элементов. Носовая часть 40 обтекаемой формы предусмотрена с передней стороны, то есть на первом кожухе 18а, для защиты прижимного стержня 36. Носовая часть 40 обтекаемой формы плавно соединяется с радиально внутренней стенкой каналов 22 без ступенчатых переходных зон.
Блок 30 камер имеет кольцевую форму, и аксиальное гнездо 37 для прижимного стержня образовано в пространстве внутри блока 30 камер. В частности, блок 30 камер содержит первичную топливную камеру 41 и вторичную топливную камеру 42, которые обе имеют кольцевую форму. Первичная топливная камера 41 ограничена внутренней трубчатой стенкой 41а и наружной трубчатой стенкой 41b (фиг. 8). Вторичная топливная камера 42 огорожена между внутренней трубчатой стенкой 41а и наружной трубчатой стенкой 41b первичной топливной камеры 41.
Кроме того, топливная вставка 20 содержит первичные топливоподводящие элементы 43, соединенные по текучей среде с первичной топливной камерой 41 и ограниченные стенками соответствующих инжекторных пальцев 31, и вторичные топливоподводящие элементы 44, соединенные по текучей среде со вторичной топливной камерой 42 и проходящие в радиальном направлении наружу внутри соответствующих первичных топливоподводящих элементов 43.
Один из инжекторных пальцев, названный впускным инжекторным пальцем 42, выполнен с возможностью соединения с топливоподающим коллектором 45 (фиг. 2) и содержит первичный впускной элемент 47, соединенный по текучей среде с первичной топливной камерой 41, и вторичный впускной элемент 48, соединенный по текучей среде со вторичной топливной камерой 42 и огороженный внутри первичного впускного элемента 47. Впускной инжекторный палец 32 содержит соответствующие одну или более форсунок 35, соединенных по текучей среде с первичным впускным элементом 47 и со вторичным впускным элементом 48. Форсунки 35 впускного инжекторного пальца 32 расположены с возможностью впрыска топлива в направлении по ходу потока аналогично форсункам 35 остальных инжекторных пальцев 31, то есть проходят через второй кожух 18b, образующий заднюю часть лопаток 21. Дефлектор 50 расположен в первичном впускном элементе 47 перед форсункой 35 впускного инжекторного пальца 32. Дефлектор 50 может быть образован перегородкой, проходящей поперек к направлению потока первичного топлива, проходящего через первичный впускной элемент 47. В частности, дефлектор 50 выполнен с возможностью уменьшения скорости первичного топлива в первичном впускном элементе 47 до того, как первичное топливо достигнет форсунок 35 впускного инжекторного пальца 32. Уменьшение скорости обеспечивается за счет создания вихря перед форсунками 35 впускного инжекторного пальца 32 и способствует созданию одинакового режима давления во всех форсунках 35 инжекционной головки 15.
В одном варианте осуществления ребра 51 жесткости предусмотрены внутри вторичного впускного элемента 48. Ребра 51 жесткости проходят в радиальном направлении по существу на всей длине соответствующей части вторичного впускного элемента 48 и соединяют его противоположные стенки, при этом в одном варианте осуществления они имеют Х-образное поперечное сечение. Следовательно, ребра 51 жесткости предотвращают расширение вторичного впускного элемента 48 в направлении вдоль окружности, когда давление топлива во вторичном впускном элементе 48 превышает давление в первичном впускном элементе 47.
Дополнительные ребра 51 жесткости, проходящие в радиальном направлении, могут быть предусмотрены для той же цели внутри вторичных топливоподводящих элементов инжекторных пальцев, отличных от впускного инжекторного пальца, при этом данные дополнительные радиальные ребра 51 жесткости выполнены с возможностью предотвращения расширения соответствующих вторичных топливоподводящих элементов в направлении вдоль окружности, вызываемого избыточным давлением в соответствующих вторичных топливоподводящих элементах по сравнению с соответствующими первичными топливоподводящими элементами.
Аналогичным образом, предусмотрены окружные ребра 52 жесткости, проходящие в направлении вдоль окружности внутри вторичной топливной камеры 42, которые соединяют противоположные стенки вторичного впускного элемента 48. Следовательно, окружные ребра 52 жесткости выполнены с возможностью предотвращения расширения вторичной топливной камеры 42 в радиальном направлении, вызываемого избыточным давлением во вторичной топливной камере 42 по сравнению с первичной топливной камерой 41.
В завершение, очевидно, что описанная камера сгорания может быть подвергнута модификациям и изменениям без отхода от объема настоящего изобретения, определенного в приложенной формуле изобретения.