Узел задней рамы переходного элемента системы сжигания топлива газовой турбины и система сжигания топлива газовой турбины
TRANSITION ELEMENT REAR FRAME UNIT OF GAS TURBINE COMBUSTION SYSTEM AND GAS TURBINE COMBUSTION SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Изобретение, рассматриваемое в данном документе, относится к теплозащитному экрану для узла задней рамы переходного элемента системы сжигания топлива газовой турбины.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Газовые турбины обычно содержат компрессор, камеру сгорания, одну или более топливных форсунок и турбину. В газовую турбину через впускное устройство для воздуха поступает воздух, который сжимается в компрессоре. Полученный сжатый воздух затем смешивается с топливом, подаваемым топливными форсунками. Затем полученная топливно-воздушная смесь с соответствующим соотношением компонентов подается в камеру сгорания. При сжигании топливно-воздушной смеси образуются сжатые выхлопные газы, которые приводят в движение рабочие лопатки турбины.
[0003] Камера сгорания содержит переходной элемент, предназначенный для ограничения и направления потока газообразных продуктов сгорания из камеры сгорания к сопловому аппарату первой ступени. Переходной элемент имеет передний конец и задний конец. Между задним концом переходного элемента и сопловым аппаратом первой ступени расположена задняя рама переходного элемента. Выхлопной газ проходит через переходной элемент при относительно высоких температурах, поэтому в задней раме переходного элемента вдоль внутренней и наружной направляющих могут возникать трещины, обусловленные термическими напряжениями и процессами окисления. Для уменьшения температуры задней рамы в ней могут быть выполнены охладительные отверстия или щели. В настоящее время также используются различные типы уплотнительных конструкций, по существу, предотвращающих протечку охлаждающего воздуха, поступающего через указанные охладительные отверстия. Однако в настоящее время отсутствует средство, по существу препятствующее прохождению рабочих газов к задней раме переходного элемента в зоне возможного возникновения трещин и окисления.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] В соответствии с одним аспектом данного изобретения предложен узел задней рамы переходного элемента системы сжигания топлива газовой турбины, содержащий сопловой аппарат первой ступени, заднюю раму переходного элемента, расположенную между задним концом переходного элемента газовой турбины и указанным сопловым аппаратом первой ступени, имеющую заднюю поверхность, по меньшей мере часть которой подвергается воздействию потока рабочего газа, и по меньшей мере один сквозной охлаждающий проход, выполненный с возможностью приема струи охлаждающего воздушного потока от компрессора газовой турбины, и теплозащитный экран, присоединенный к указанной задней поверхности задней рамы и расположенный с обеспечением по существу отклонения потока рабочего газа от задней поверхности задней рамы переходного элемента. Указанный по меньшей мере один сквозной охлаждающий проход выполнен с возможностью направления струи охлаждающего воздушного потока к поверхности теплозащитного экрана, которая по существу расположена напротив задней поверхности задней рамы переходного элемента, так что струя охлаждающего воздушного потока ударяет в указанную поверхность теплозащитного экрана.
Узел задней рамы переходного элемента дополнительно может содержать истираемую накладку, причем теплозащитный экран является продолжением указанной накладки. Часть теплозащитного экрана может быть прикреплена к указанной задней поверхности задней рамы переходного элемента.
Указанный по меньшей мере один охлаждающий проход может иметь имеет углубленную часть в задней раме переходного элемента, при этом струя охлаждающего воздушного потока ударяется о внутреннюю стенку углубленной части перед выходом из задней рамы переходного элемента.
Узел задней рамы переходного элемента дополнительно может содержать радиальное уплотнение, которое имеет выполненный в нем канал со стороны теплозащитного экрана, расположенный с обеспечением приема струи охлаждающего воздушного потока, которая проходит через указанный канал и ударяется о теплозащитный экран. Указанное радиальное уплотнение может иметь канал со стороны соплового аппарата, расположенный с обеспечением приема струи охлаждающего воздушного потока, которая проходит через указанный канал и охлаждает по меньшей мере один компонент, расположенный между сопловым аппаратом первой ступени и переходным элементом.
Между поверхностью теплозащитного экрана и задней поверхностью задней рамы переходного элемента может быть расположен проход, причем указанная поверхность теплозащитного экрана расположена по существу напротив задней поверхности задней рамы переходного элемента.
В теплозащитном экране со стороны задней рамы может быть выполнено сквозное отверстие, которое обеспечивает возможность проникновения струи охлаждающего воздушного потока в указанный проход.
В соответствии с другим аспектом данного изобретения предложена система сжигания топлива газовой турбины, содержащая камеру сгорания, переходной элемент, предназначенный для проведения струи рабочего газа из камеры сгорания к сопловому аппарату первой ступени газовой турбины и имеющий задний конец, и узел задней рамы переходного элемента. Указанный узел задней рамы содержит заднюю раму переходного элемента, имеющую заднюю поверхность, прикрепленную к заднему концу переходного элемента, причем по меньшей мере часть указанной задней поверхности подвергается воздействию потока рабочего газа, и содержащую по меньшей мере один сквозной охлаждающий проход, выполненный с возможностью приема струи охлаждающего воздушного потока от компрессора газовой турбины, сопловой аппарат первой ступени, и теплозащитный экран, присоединенный к указанной задней поверхности задней рамы и ориентированный с обеспечением по существу отклонения потока рабочего газа от задней поверхности задней рамы переходного элемента. Указанный по меньшей мере один сквозной охлаждающий проход выполнен с возможностью направления струи охлаждающего воздушного потока к поверхности теплозащитного экрана, которая по существу расположена напротив задней поверхности задней рамы переходного элемента, так что струя охлаждающего воздушного потока ударяет в указанную поверхность теплозащитного экрана.
Система сжигания топлива газовой турбины дополнительно может содержать истираемую накладку, причем теплозащитный экран является продолжением указанной накладки. Часть теплозащитного экрана может быть прикреплена к задней поверхности задней рамы переходного элемента.
Указанный по меньшей мере один охлаждающий проход может иметь углубленную часть в задней раме переходного элемента, при этом струя охлаждающего воздушного потока ударяется о внутреннюю стенку углубленной части перед выходом из задней рамы переходного элемента.
Система сжигания топлива газовой турбины дополнительно может содержать радиальное уплотнение, имеющее выполненный в нем со стороны теплозащитного экрана канал, расположенный с обеспечением приема струи охлаждающего воздушного потока, которая проходит через канал и ударяется о теплозащитный экран. Указанное радиальное уплотнение имеет выполненный в нем со стороны соплового аппарата канал, расположенный с обеспечением приема струи охлаждающего воздушного потока, которая проходит через указанный канал и охлаждает по меньшей мере один компонент, расположенный между сопловым аппаратом первой ступени и переходным элементом.
Между поверхностью теплозащитного экрана и задней поверхностью задней рамы переходного элемента может быть расположен проход, причем указанная поверхность теплозащитного экрана по существу расположена напротив задней поверхности задней рамы переходного элемента.
В теплозащитном экране со стороны задней рамы может проходить сквозное отверстие, которое обеспечивает возможность проникновения струи охлаждающего воздушного потока в указанный проход.
[0005] Эти и другие преимущества и свойства будут более понятны из нижеследующего описания в сочетании с чертежами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0006] Объект, рассматриваемый как данное изобретение, в частности, указан и точно определен в формуле изобретения, приведенной в заключение данного подробного описания. Вышеуказанные и другие свойства и преимущества данного изобретения будут более понятны из нижеследующего подробного описания в сочетании с сопроводительными чертежами, на которых
[0007] фиг. 1 изображает продольный разрез системы сжигания топлива газовой турбины;
[0008] фиг. 2 изображает увеличенный продольный разрез задней рамы переходного элемента и соплового аппарата первой ступени газовой турбины, показанных на фиг. 1;
[0009] фиг. 3 изображает другой вариант выполнения задней рамы переходного элемента и соплового аппарата первой ступени газовой турбины, показанных на фиг. 2; и
[0010] фиг. 4 изображает еще один вариант выполнения задней рамы переходного элемента и соплового аппарата первой ступени газовой турбины, показанных на фиг. 2.
[0011] Указанное подробное описание объясняет варианты выполнения данного изобретения вместе с преимуществами и свойствами в качестве примера со ссылкой на чертежи.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0012] Фиг. 1 изображает продольный разрез иллюстративной системы 10 сжигания топлива для газовой турбины (не показана). Система 10 содержит переходной элемент 20, предназначенный для проведения потока Е рабочего газа из камеры 22 сгорания к сопловому аппарату 24 первой ступени. Система 10 также содержит выпускной корпус 26 компрессора. Выпускаемый из компрессора воздух С по существу подается в промежуток 30 между корпусом 26 и переходным элементом 20. Выпускаемый из компрессора воздух подается для охлаждения компонентов системы 10. Переходной элемент 20 имеет передний конец 34 и задний конец 36. Между задним концом 36 переходного элемента 20 и сопловым аппаратом 24 первой ступени расположена задняя рама 40 переходного элемента. В одном иллюстративном варианте выполнения задняя рама 40 может быть прикреплена к заднему концу 36 переходного элемента 20 любым обеспечивающим соединение способом, таким как, например, сварка.
[0013] Фиг. 2 представляет собой увеличенный разрез узла 38 задней рамы, который содержит часть задней рамы 40 и часть соплового аппарата 24 первой ступени. Узел 38 задней рамы содержит радиальное уплотнение 42, теплозащитный экран 44, истираемую накладку 46 и охлаждающий патрубок 48. В одном варианте выполнения часть теплозащитного экрана 44 прикреплена к части задней поверхности 50 задней рамы 40 любым способом, обеспечивающим соединение, таким как, например сварка. Кроме того, в одном иллюстративном варианте выполнения экран 44 может быть продолжением истираемой накладки 46. Следует понимать, что, несмотря на то, что показан продольный разрез узла 38 задней рамы переходного элемента, тем не менее, указанные конструкции, как показано на фиг. 2-4, могут быть выполнены по всему периметру или части периметра задней рамы 40 (например, указанная конструкция также может быть выполнена вдоль боковых сторон задней рамы 40 переходного элемента).
[0014] Обратимся теперь к фиг. 1-2, на которых показано, что поток Е выхлопного газа находится в переходном элементе 20, а выпускаемый из компрессора воздух С находится в промежутке 30 между выпускным корпусом 26 компрессора и переходным элементом 20. Выпускаемый из компрессора воздух С по существу действует в виде струи охлаждающего или разбавляющего воздушного потока, которая используется для охлаждения задней рамы 40 переходного элемента, так как выпускаемый из компрессора воздух С имеет более низкую температуру по сравнению с потоком Е рабочего газа. Теплозащитный экран 44 расположен с обеспечением по существу отклонения потока Е рабочего газа от задней поверхности 50 задней рамы 40. Таким образом, экран 44 по существу защищает заднюю поверхность 50 и создает барьер между задней поверхностью 50 и повышенными температурами потока Е рабочего газа.
[0015] Задняя рама 40 содержит проводящие отверстия или проходы для разбавляющего воздушного потока, один или одно из которых показано на фиг. 2 в качестве прохода 60 для разбавляющего воздушного потока. Проход 60 проходит насквозь внутри задней рамы 40. По меньшей мере в некоторые из проходов, расположенные в задней раме 40, поступает часть выпускаемого из компрессора воздуха С. Более конкретно, воздух С проходит через отверстие 62, расположенное в патрубке 48, и поступает в проход 60. Выпускаемый из компрессора воздух С проходит через проход 60 и направляется к поверхности 64 теплозащитного экрана 44, которая по существу расположена напротив задней поверхности 50 задней рамы 40. Более конкретно, воздух С ударяется о поверхность 64 экрана 44 с обеспечением тем самым охлаждения экрана 44.
[0016] Фиг. 3 изображает другой вариант выполнения узла 138, содержащего часть задней рамы 140 переходного элемента и сопловой аппарат 124 первой ступени. В этом варианте выполнения, как показано на фиг. 3, задняя рама 140 содержит ряд проходов для разбавляющего воздушного потока, имеющих углубление, один из которых показан в виде прохода 160. Проход 160 имеет углубленную часть 170. В одном варианте выполнения углубленная часть 170 может иметь форму желоба (не показан), причем все проходы 160 вместе имеют общую углубленную часть 170. В другом варианте выполнения каждый проход 160 имеет отдельную углубленную часть 170.
[0017] Выпускаемый из компрессора воздух С проходит через проход 160 и соударяется или входит в контакт с внутренней стенкой 174 углубленной части 170, прежде чем он выйдет из задней рамы 140. Соударение воздуха С с внутренней стенкой 174 обеспечивает улучшенное охлаждение задней рамы 140, что в свою очередь может улучшить или увеличить продолжительность службы задней рамы 140. Помимо этого, положение углубленной части 170 обеспечивает смещение отверстия 176 прохода 160 от задней поверхности 150 задней рамы 140. Смещение отверстия 176 прохода 160 от задней поверхности 150 задней рамы 140 в свою очередь может обеспечивать смещение от задней поверхности 150 соответствующей концентрации напряжений, связанной с отверстием 176.
[0018] Как показано на фиг. 2, в одном варианте выполнения радиальное уплотнение 42 содержит канал 78 со стороны теплозащитного экрана и канал 80 со стороны соплового аппарата первой ступени. Часть выпускаемого из компрессора воздуха С может проходить через канал 78 и канал 80. Более конкретно, часть воздуха С проходит через канал 78. Канал 78 расположен так, чтобы обеспечивать проведение воздуха С в направлении теплозащитного экрана 44, при этом воздух С ударяется о теплозащитный экран 44 и охлаждает его. Часть воздуха С проходит также через канал 80. Канал 80 расположен так, чтобы обеспечивать проведение воздуха С в направлении соплового аппарата 24 первой ступени, при этом воздух С ударяется о сопловой аппарат 24 и охлаждает его. При наличии теплозащитного экрана канал 80 в теплозащитном экране может быть необходимым по меньшей мере в некоторых вариантах выполнения для обеспечения охлаждения, так как экран 44 может препятствовать или блокировать прохождение выпускаемого из компрессора воздуха С к сопловому аппарату 24 первой ступени.
[0019] Фиг. 4 изображает еще один вариант выполнения узла 238 задней рамы переходного элемента, содержащего часть задней рамы 240 переходного элемента и соплового аппарата 224 первой ступени. Задняя рама 240 содержит теплозащитный экран 244. Следует понимать, что задняя рама 240 также может содержать радиальное уплотнение, однако для простоты изображения указанное уплотнение на фиг. 4 не показано. Часть 286 экрана 244 прикреплена к поверхности 288 задней рамы 240. В этом варианте выполнения, как показано на фиг. 4, часть 286 экрана 244 проходит по существу перпендикулярно к задней поверхности 250 задней рамы 240. Хотя на фиг. 4 показано, что часть 286 экрана 244 расположена по существу перпендикулярно задней поверхности 250, тем не менее, следует понимать, что часть 286 также может быть расположена относительно поверхности 250 в других конфигурациях.
[0020] В этом варианте выполнения, как показано на фиг. 4, часть 290 экрана 244 расположена по существу параллельно задней поверхности 250 задней рамы 240. Между поверхностью 264 теплозащитного экрана 244 и задней поверхностью 250 задней рамы 240 расположен проход 282. Поверхность 264 экрана 244 по существу расположена напротив задней поверхности 250 задней рамы 240. Фиг. 4 также иллюстрирует отверстие 284 со стороны задней рамы, проходящее насквозь в экране 244. Отверстие 284 обеспечивает прохождение или проникновение выпускаемого из компрессора воздуха С в проход 282. Воздух С проходит мимо задней поверхности 250 задней рамы 240, а также поверхности 264 теплозащитного экрана 244 с обеспечением их охлаждения.
[0021] Теплозащитный экран 44, 144 и 244, как показано на фиг. 2-4, обеспечивает барьер и защиту задней рамы 40, 140 и 240 переходного элемента от воздействия повышенных температур, создаваемых потоком Е рабочего газа. Соответственно, рабочая температура задней рамы 40, 140 и 240 будет снижена с обеспечением тем самым по существу уменьшения или устранения трещинообразования или окисления задней рамы 40, 140 и 240. Теплозащитный экран 44, 144 и 244 также будет уменьшать объем работ на восстановление задней рамы 40, 140 и 240. Помимо этого, поскольку теплозащитный экран 44, 144 и 244 улучшает охлаждение задней рамы 40, 140 и 240, то может потребоваться уменьшенный объем выпускаемого из компрессора воздуха С для охлаждения задней рамы 40, 140 и 240, что в свою очередь создает возможность для улучшения эффективности работы турбины, или доступности воздуха С для других участков турбины (не показаны). И наконец, теплозащитный экран 44, 144 и 244 также может создавать возможность для удлинения периодов между ремонтами переходного элемента, что обусловливает значительную экономию затрат.
[0022] Несмотря на то что данное изобретение подробно описано в отношении лишь ограниченного количества вариантов выполнения, тем не менее, следует понимать, что оно не ограничивается рассмотренными вариантами выполнения. Точнее, данное изобретение может быть видоизменено с включением любого количества вариантов, изменений, замен или эквивалентных конструкций, не рассмотренных в данном документе, но которые подпадают под сущность и объем правовой охраны данного изобретения. Кроме того, несмотря на то, что описаны различные варианты выполнения данного изобретения, тем не менее, следует понимать, что его аспекты могут включать только некоторые из приведенных вариантов выполнения. Соответственно, данное изобретение не должно рассматривается как ограниченное вышеприведенным описанием, так как оно ограничено лишь объемом правовой охраны, изложенным в прилагаемой формуле изобретения.