КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ
COMBUSTION CHAMBER OF A GAS TURBINE

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к камере сгорания газовой турбины и, в частности, к камере сгорания газовой турбины, включающей в себя большое число топливных форсунок и пластину с топливными форсунками для того, чтобы конструкционно поддерживать топливные форсунки.
Для газовых турбин установлены строгие экологические стандарты в отношении выбросов NOx при работе газовых турбин для снижения нагрузки на окружающую среду, обусловленной выхлопными газами.
Количество выбросов NOx из выхлопных газов увеличивается с повышением температуры пламени. Поэтому необходимо локально подавлять образование высокотемпературного пламени и реализовать равномерное горение. Для получения равномерного горения требуется большое число топливных форсунок для впрыска топлива, чтобы обеспечить высокую дисперсность топлива.
Выложенная заявка на патент Японии, опубликованная под №2011-58775, раскрывает известный из предшествующего уровня техники процесс сокращения выбросов NOx.
В этой выложенной заявке на патент Японии, опубликованной под №2011-58775, описывается процесс сокращения выбросов NOx за счет снижения потерь давления в коаксиальной форсунке и ускорения смешивания топлива с воздухом. Для этого использован элемент, вызывающий турбулентность в воздушном потоке, установленный на дистальном концевом участке топливной форсунки, входящей в состав коаксиальной форсунки, или в проточном канала отверстия форсунки, сформированного в перфорированной пластине, в котором размещен этот дистальный концевой участок топливной форсунки, и, тем самым, обеспечивающий задание минимальной площади поперечного сечения проточного канала отверстия форсунки в коаксиальной форсунке. При этом минимальная площадь поперечного сечения проточного канала отверстия форсунки в коаксиальной форсунке для горелки, которая входит в состав множества рядов горелок и которая размещена с внешней окружной стороны, становится больше, чем минимальная площадь поперечного сечения проточного канала отверстия форсунки в коаксиальной горелке для горелки, размещенной со стороны центра.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В камере сгорания газовой турбины, включающей в себя большое число топливных форсунок и пластину с топливными форсунками для того, чтобы конструкционно поддерживать топливные форсунки, увеличение числа топливных форсунок для повышения дисперсности топлива позволяет сократить расстояние между топливными форсунками.
В результате происходит сужение пространства вокруг топливной форсунки. Чтобы обеспечить пространство для соединения топливной форсунки с пластиной с топливными форсунками или пространство между топливными форсунками, служащего проточным каналом для воздуха, необходимо уменьшить внешний диаметр топливной форсунки в соответствии с увеличением числа топливных форсунок.
В то же время в топливных форсунках, установленных в поле потока сжатого воздуха, может возникать вибрация, обусловленная динамической силой текучей среды. Динамическая сила текучей среды, действующая на топливную форсунку, различается в зависимости от положения топливной форсунки. Поэтому при одинаковом внешнем диаметре топливной форсунки вибрационное напряжение, создаваемое динамической силой текучей среды, также различается в зависимости от положения топливной форсунки. Следовательно, одним из способов наиболее эффективного снижения вибрационного напряжения может быть увеличение внешнего диаметра топливной форсунки.
Авторами настоящего изобретения было установлено, что для повышения дисперсности топлива и одновременного снижения вибрационного напряжения предпочтительным является оптимизировать внешний диаметр каждой из топливных форсунок с учетом того, что динамическая сила текучей среды различается в зависимости от положения топливной форсунки.
В настоящем изобретении предлагается камера сгорания газовой турбины с конструкционной надежностью к вибрации, возникающей под действием динамической силы текучей среды, и высокими экологическими характеристиками, обусловленными равномерным горением, которые достигаются за счет оптимизации внешнего диаметра топливной форсунки при разной динамической силе текучей среды в зависимости от положения топливной форсунки.
Камера сгорания газовой турбины в соответствии с настоящим изобретением включает в себя горелку, снабженную группой топливных форсунок, имеющей множество топливных форсунок для подачи топлива, пластину с топливными форсунками, которая конструкционно поддерживает топливные форсунки и служит для распределения топлива, поступающего с верхней по потоку стороны в топливные форсунки, и перфорированную пластину, размещенную с нижней по потоку стороны от топливных форсунок и снабженную отверстиями для форсунок, соответствующими топливным форсункам. Группа топливных форсунок включает в себя внешние окружные топливные форсунки и внутренние окружные топливные форсунки. Внешний диаметр по меньшей мере проксимального концевого участка каждой из внешних окружных топливных форсунок превышает внешний диаметр каждой из внутренних окружных топливных форсунок.
Камера сгорания газовой турбины в соответствии с настоящим изобретением включает в себя горелку, состоящую из группы топливных форсунок, имеющей множество топливных форсунок для подачи топлива, пластины с топливными форсунками, конструкционно поддерживающей топливные форсунки и служащей для распределения топлива, поступающего с верхней по потоку стороны в топливные форсунки, и перфорированной пластины, размещенной с нижней по потоку стороны от топливных форсунок и снабженной отверстиями для форсунок, соответствующими топливным форсункам. Группа топливных форсунок содержит центральную группу топливных форсунок, имеющую топливные форсунки, каждая из которых имеет одинаковый внешний диаметр, и множество внешних окружных групп топливных форсунок. Если рассматривать пластину с топливными форсунками и топливные форсунки с нижней по потоку стороны от горелки, то в горелке центральная группа топливных форсунок размещена в центре, а множество внешних окружных групп топливных форсунок размещены вокруг центральной группы топливных форсунок. Каждая из внешних окружных групп топливных форсунок включает в себя по меньшей мере два вида топливных форсунок, которые отличаются друг от друга по внешнему диаметру, причем топливные форсунки с большим внешним диаметром размещены с внешней окружной стороны, которая является дальней стороной от центральной группы топливных форсунок, а топливные форсунки с малым внешним диаметром размещены с внутренней окружной стороны, которая является ближней стороной от центральной группы топливных форсунок.
Камера сгорания газовой турбины в соответствии с настоящим изобретением включает в себя горелку, состоящую из группы топливных форсунок, имеющей множество топливных форсунок для подачи топлива, пластины с топливными форсунками, конструкционно поддерживающей топливные форсунки и служащей для распределения топлива, поступающего с верхней по потоку стороны в топливные форсунки, и перфорированной пластины, размещенной с нижней по потоку стороны от топливных форсунок и снабженной отверстиями для форсунок, соответствующими топливным форсункам. Группа топливных форсунок содержит центральную группу топливных форсунок, имеющую топливные форсунки, каждая из которых имеет одинаковый внешний диаметр, и множество внешних окружных групп топливных форсунок. Если рассматривать пластину с топливными форсунками и топливные форсунки с нижней по потоку стороны от горелки, то в горелке центральная группа топливных форсунок размещена в центре горелки, а множество внешних окружных групп топливных форсунок размещены вокруг центральной группы топливных форсунок. Каждая из внешних окружных групп топливных форсунок включает в себя по меньшей мере два вида топливных форсунок, которые отличаются друг от друга по внешнему диаметру. Если определить границу между этими двумя видами топливных форсунок радиальным расстоянием от центра горелки, то в каждой из внешних окружных групп топливных форсунок топливные форсунки с большим внешним диаметром размещены во внешней окружной области от границы на дальней стороне от центральной группы топливных форсунок, а топливные форсунки с малым внешний диаметр размещены во внутренней окружной области от границы на ближней стороне от центральной группы топливных форсунок.
Камера сгорания газовой турбины в соответствии с настоящим изобретением включает в себя горелку, состоящую из группы топливных форсунок, имеющей множество топливных форсунок для подачи топлива, пластины с топливными форсунками, конструкционно поддерживающей топливные форсунки и служащей для распределения топлива, поступающего с верхней по потоку стороны в топливные форсунки, и перфорированной пластины, размещенной с нижней по потоку стороны от топливных форсунок и снабженной отверстиями для форсунок, соответствующими топливным форсункам. Группа топливных форсунок содержит центральную группу топливных форсунок, каждая топливная форсунка которой имеет одинаковый внешний диаметр, и множество внешних окружных групп топливных форсунок, каждая топливная форсунка которых имеет одинаковый внешний диаметр. Если рассматривать пластину с топливными форсунками и топливные форсунки с нижней по потоку стороны от горелки, то в горелке центральная группа топливных форсунок размещена в центре, а множество внешних окружных групп топливных форсунок размещены вокруг центральной группы топливных форсунок. Внешний диаметр топливных форсунок центральной группы топливных форсунок меньше внешнего диаметра топливных форсунок внешних окружных групп топливных форсунок.
Камера сгорания газовой турбины в соответствии с настоящим изобретением обладает конструкционной надежностью к вибрации, возникающей под действием динамической силы текучей среды, и высокими экологическими характеристиками, обусловленными равномерным горением, которые достигаются за счет оптимизации внешнего диаметра топливной форсунки при разной динамической силе текучей среды в зависимости от положения топливной форсунки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - вид в разрезе типовой камеры сгорания газовой турбины в соответствии с настоящим изобретением, схематично иллюстрирующий потоки топлива и воздуха и процесс горения;
Фиг. 2 - вид в разрезе элементов конструкции, составляющих горелку камеры сгорания газовой турбины в первом варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 3 - график, демонстрирующий соотношение между вибрационным напряжением, которое возникает в топливной форсунке, и расстоянием от центра горелки в конструкции, известной из предшествующего уровня техники;
Фиг. 4 - вид в разрезе топливных форсунок камеры сгорания газовой турбины в первом варианте осуществления настоящего изобретения, демонстрирующий распределение внешних диаметров топливных форсунок;
Фиг. 5 иллюстрирует распределение внешних диаметров топливных форсунок камеры сгорания газовой турбины во втором варианте осуществления настоящего изобретения, если рассматривать пластину с топливными форсунками и топливные форсунки с нижней по потоку стороны от горелки в отсутствие перфорированной пластины;
Фиг. 6 иллюстрирует распределение внешних диаметров топливных форсунок в конструкции, известной из предшествующего уровня техники, которое соответствует фиг. 5;
Фиг. 7 иллюстрирует распределение внешних диаметров топливных форсунок камеры сгорания газовой турбины в третьем варианте осуществления настоящего изобретения, соответствующее фиг. 5;
Фиг. 8 иллюстрирует распределение внешних диаметров топливных форсунок камеры сгорания газовой турбины в четвертом варианте осуществления настоящего изобретения; и
Фиг. 9 - вид в разрезе, иллюстрирующий каждую из форм топливных форсунок камеры сгорания газовой турбины в пятом варианте осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Ниже со ссылками на прилагаемые чертежи приводится описание камеры сгорания газовой турбины в соответствии с настоящим изобретением. При этом одинаковые элементы конструкции во всех вариантах осуществления обозначены одинаковыми ссылочными позициями.
Первый вариант осуществления
Описание варианта осуществления элементов конструкции, составляющих газотурбинную установку 1, приводится со ссылками на фиг. 1.
Как показано на фиг.1, газотурбинная установка 1 в основном состоит из компрессора 3, который сжимает воздух 2, отбираемый из атмосферы, камеры 7 сгорания, которая сжигает сжатый воздух 4, сжатый компрессором 3, и топливо 5 и вырабатывает газ 6 сгорания при высокой температуре и высоком давлении, газовой турбины 8, приводимой в действие газом 6 сгорания, вырабатываемым в камере 7 сгорания, для извлечения энергии газа 6 сгорания в виде мощности вращения, и генератора 9, который вырабатывает электричество, используя мощность вращения, извлекаемую газовой турбиной 8.
Камера 7 сгорания состоит из торцевого фланца 10, внешнего цилиндра 11, перфорированной пластины 12, пластины 13 с топливными форсунками, топливных форсунок 14 и вкладыша 15. Сжатый воздух 4, сжатый компрессором 3, проходит через проточный канал 16 между внешним цилиндром 11 и вкладышем 15 и поступает в горелку 17. При этом часть сжатого воздуха 4 поступает во вкладыш 15 в качестве охлаждающего воздуха 18 для охлаждения вкладыша 15.
Топливо 5 поступает в пластину 13 с топливными форсунками через трубопровод 19 подачи топлива на торцевом фланце 10, проходит через каждую из топливных форсунок 14 и впрыскивается в перфорированную пластину 12. На входе отверстий 20 для форсунок в перфорированной пластине 12 со стороны топливных форсунок топливо 5, впрыскиваемое через топливные форсунки 14, и сжатый воздух 4 смешиваются. Смесь 21 топлива 5 и сжатого воздуха 4 впрыскивается в секцию 22 камеры сгорания для формирования пламени 23 и образует пламя.
В камере 7 сгорания в соответствии с этим вариантом осуществления может использоваться не только природный газ, но также топливо, такое как коксовые газы, отходящие газы нефтепереработки и газы газификации угля.
Фиг. 2 иллюстрирует элементы конструкции, составляющие горелку 17 камеры сгорания газовой турбины в первом варианте осуществления настоящего изобретения.
Как показано на фиг. 2, горелка 17 состоит из перфорированной пластины 12, пластины 13 с топливными форсунками и топливных форсунок 14.
Верхний по потоку концевой участок 30 топливной форсунки 14 металлургически соединен с пластиной 13 с топливными форсунками, причем участок соединения уплотнен, чтобы предотвратить утечку топлива 5. Нижний по потоку концевой участок 31 топливной форсунки 14 не контактирует с отверстием 20 для форсунки в перфорированной пластине 12, и сжатый воздух 4 может свободно проходить в отверстия 20 для форсунок. Как правило, в качестве способа соединения верхнего по потоку концевого участка 30 топливной форсунки 14 и пластины 13 с топливными форсунками используется сварка, пайка или т.п.
На Фиг. 3 представлен график, демонстрирующий экспериментальные данные (соотношение между вибрационным напряжением в топливной форсунке и расстоянием от центра горелки в конструкции, известной из предшествующего уровня техники) в качестве основы настоящего изобретения.
Фиг. 3 демонстрирует соотношение между вибрационным напряжением, возникающим в топливной форсунке 14, измеренным при испытании в воздушном потоке, при котором сжатый воздух нормальной температуры подается в камеру сгорания реальной конструкции, и расстоянием 100 (см. фиг. 2) между топливной форсункой 14 и центром 40 горелки.
Как показано на фиг. 3, чем выше динамическое давление на входе горелки 17 и чем дальше от центра 40 горелки 17 располагается топливная форсунка, тем больше вибрационное напряжение.
Результаты испытания показывают, что динамическая сила текучей среды, действующая на наиболее удаленную от центра 40 горелки 17 окружную топливную форсунку 14, является самой большой, и при одинаковом внешнем диаметре топливных форсунок 14 вибрационное напряжение в наиболее удаленной от центра окружной топливной форсунке 14 становится самым большим.
Причина, по которой динамическая сила текучей среды, действующая на наиболее удаленную от центра окружную топливную форсунку 14. становится большой, заключается в следующем.
Сжатый воздух 4, поступающий в горелку 17, как показано на фиг. 1, проходит в секцию 22 камеры сгорания через перфорированную пластину 12. Следовательно, когда сжатый воздух 4 проходит в сторону центра горелки 17, расход сжатого воздуха 4, обтекающего топливную форсунку 14, снижается. Вместе со снижением расхода снижается и скорость потока сжатого воздуха 4, обтекающего топливную форсунку 14. Из-за положительной корреляции между динамической силой текучей среды, действующей на топливную форсунку 14, и скоростью потока сжатого воздуха динамическая сила текучей среды, действующая на внешнюю окружную топливную форсунку 14. становится больше, чем динамическая сила текучей среды, действующая на внутреннюю окружную топливную форсунку 14.
Ниже со ссылками на фиг.4 приводится описание конструкции горелки 17 камеры сгорания газовой турбины в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Как показано на фиг. 4, горелка 17 в рассматриваемом варианте осуществления состоит из группы топливных форсунок, включающей в себя топливные форсунки 14 (описываемые ниже), пластины 13 с топливными форсунками, конструкционно поддерживающей топливные форсунки 14 и служащей для распределения топлива, поступающего с верхней по потоку стороны в топливные форсунки 14. и перфорированной пластины 12 для смешивания топлива 5, впрыскиваемого из топливных форсунок 14, со сжатым воздухом 4.
В горелке, известной из предшествующего уровня техники, все топливные форсунки 14 имеют одинаковый внешний диаметр. В горелке 17 в соответствии с рассматриваемым вариантом осуществления, как показано на фиг. 4, внешний диаметр топливной форсунки 14 с приближением к центру 40 горелки 17 становится меньше, а с удалением от центра 40 горелки 17 (на дальней стороне от центра 40 горелки 17) внешний диаметр топливной форсунки 14 становится больше. Внешние окружные топливные форсунки 14 с большим внешним диаметром размещены с интервалом, меньшим, чем интервал размещения внутренних окружных топливных форсунок 14 с малым диаметром.
В горелке, известной из предшествующего уровня техники, внешний диаметр топливной форсунки 14 определяется таким образом, чтобы придать устойчивость к вибрации наиболее удаленной окружной топливной форсунке 14, на которую действует наибольшая динамическая сила текучей среды, а внутренняя окружная топливная форсунка 14. размещенная ближе к центру 40 горелки 17. имеет такой же внешний диаметр, что и диаметр внешней окружной топливной форсунки 14.
В горелке 17 в соответствии с рассматриваемым вариантом осуществления настоящего изобретения внешний диаметр внутренней окружной топливной форсунки 14, на которую действует малая динамическая сила текучей среды, является меньше, чем внешний диаметр внешней окружной топливной форсунки 14. Поэтому можно разместить внутренние окружные топливные форсунки 14 более плотно, чем внешние окружные топливные форсунки 14, чтобы повысить дисперсность топлива. Так как внешний диаметр внутренней окружной топливной форсунки 14 меньше, чем диаметр внешней окружной топливной форсунки 14, затраты на изготовление топливных форсунок 14 могут быть сокращены.
Внешние окружные топливные форсунки 14 могут иметь различную форму, то есть топливные форсунки 14 могут иметь одинаковые внешние диаметры в осевом направлении топливных форсунок 14, а могут иметь внешние диаметры, варьирующиеся вдоль осевого направления топливных форсунок 14.
Как показано на фиг. 4, если внешние диаметры топливных форсунок 14 являются одинаковыми в осевом направлении, то внутренние диаметры отверстий 20 для форсунок в перфорированной пластине 12 становятся различными между внутренней и внешней окружными сторонами. Поэтому при проектировании необходимо учитывать различие внутренних диаметров отверстий 20 для форсунок между внутренней и внешней окружными сторонами.
Если внешний диаметр только проксимального концевого участка внешней окружной топливной форсунки 14 делается более большим, как в описываемом ниже пятом варианте осуществления, внешние диаметры дистальных концевых участков как внешней, так и внутренней окружных топливных форсунок 14 могут быть одинаковыми.
В описанной выше конструкции в соответствии с вариантом осуществления топливные форсунки 14 большого внешнего диаметра размещены с внешней окружной стороны горелки 17, и на них действует более большая динамическая сила текучей среды, а топливные форсунки 14 малого внешнего диаметра размещены с внутренней окружной стороны, и на них действует меньшая динамическая сила текучей среды. Это позволяет оптимизировать внешний диаметр топливной форсунки 14 в соответствии с динамической силой текучей среды, которая различается в зависимости от положения топливной форсунки, и обеспечить конструкционную надежность к вибрации под действием динамической силы текучей среды и высокие экологические характеристики, обусловленные равномерным горением.
Второй вариант осуществления
Фиг. 5 в деталях иллюстрирует конструкцию горелки 17 камеры сгорания газовой турбины в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг. 5 показана пластина 13 с топливными форсунками и топливные форсунки 14, если рассматривать их с нижней по потоку стороны от горелки (см. фиг. 4) в отсутствие перфорированной пластины 12, показанной на фиг. 4.
Как правило, горелка 17 камеры 7 сгорания в рассматриваемом варианте осуществления настоящего изобретения, как показано на фиг.5, включает в себя множество систем подачи топлива. На фиг. 5 центральная группа 50 топливных форсунок, включающая в себя топливные форсунки 14, каждая из которых имеет одинаковый внешний диаметр, размещена в центре горелки 17. Вокруг центральной группы 50 топливных форсунок размещено множество внешних окружных групп 51 топливных форсунок. Одна из внешних окружных групп 51 топливных форсунок включает в себя по меньшей мере два вида топливных форсунок 53, 54, отличающихся друг от друга внешними диаметрами. Топливные форсунки 53 большого внешнего диаметра, входящие в состав внешней окружной группы 51 топливных форсунок, размещены с внешней окружной стороны (с внешней радиальной стороны горелки 17) на дальней стороне от центральной группы 50 топливных форсунок. Топливные форсунки 54 малого внешнего диаметра, входящие в состав внешней окружной группы 51 топливных форсунок, размещены с внутренней окружной стороны на ближней стороне от центральной группы 50 топливных форсунок.
На произвольном радиальном расстоянии от центра внешней окружной группы 51 топливных форсунок определена граница. Во внешней окружной области от этой границы на дальней стороне (с внешней радиальной стороны горелки 17) от центральной группы 50 топливных форсунок размещены топливные форсунки 53 большого внешнего диаметра, входящие в состав внешней окружной группы 51 форсунок. Во внутренней окружной области от этой границы на ближней стороне от центральной группы 50 топливных форсунок размещены топливные форсунки 54 малого диаметра, входящие в состав внешней окружной группы 51 топливных форсунок.
В горелке 17 центральная группа 50 топливных форсунок и внешние окружные группы 51 топливных форсунок с внешней окружной стороны имеют разные системы подачи топлива. Динамическая сила текучей среды, действующая на топливную форсунку 14, становится большой, когда топливная форсунка размещена с внешней окружной стороны горелки 17. Следовательно, динамическая сила текучей среды, действующая на внешнюю окружную группу 51 топливных форсунок, становится больше, чем динамическая сила текучей среды, действующая на центральную группу 50 топливных форсунок. В частности, динамическая сила текучей среды, действующая на группу 52 топливных форсунок, состоящую из топливных форсунок 53 с большим наружным диаметром, входящих в состав внешней окружной группы 51 топливных форсунок, становится больше.
При способе проектирования, известном из уровня техники, который иллюстрирует фиг.6, внешний диаметр топливной форсунки 14 определяется таким образом, чтобы придать прочность наиболее удаленной от центра окружной топливной форсунке 60, что позволяет противостоять самой большой динамической силе текучей среды. Этот определенный наружный диаметр задан для всех топливных форсунок 14.
При этом во втором варианте осуществления настоящего изобретения, как показано на фиг. 5, группа 52 топливных форсунок включает в себя топливные форсунки 53 большого внешнего диаметра, на которые действует большая динамическая сила текучей среды, и каждая из которых имеет такой же внешний диаметр, как показанный на фиг. 6. В то же время топливные форсунки 54 малого внешнего диаметра используются с внутренней окружной стороны. Внешний диаметр каждой из топливных форсунок, входящих в состав центральной группы 50 топливных форсунок, задан равным внешнему диаметру каждой из топливных форсунок 54, входящих в состав внешней окружной группы 51 топливных форсунок, на ближней стороне от центральной группы 50 топливных форсунок. Это позволяет размещать топливные форсунки с высокой плотностью и сократить стоимость производства.
Конструкция в соответствии с описанным выше вариантом осуществления настоящего изобретения позволяет получить те же технические эффекты, что и в первом варианте осуществления, и обеспечивает высокую плотность размещения топливных форсунок и сокращение стоимости производства
Третий вариант осуществления
Фиг. 7 в деталях иллюстрирует конструкцию горелки 17 камеры сгорания газовой турбины в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения.
Как и на фиг. 5, на фиг. 7 показана пластина 13 с топливными форсунками и топливные форсунки 14, если рассматривать их с нижней по потоку стороны 41 от горелки в отсутствие перфорированной пластины 12, показанной на фиг. 4.
При такой конструкции, как показано на фиг. 7, центральная группа 50 топливных форсунок, размещенная в центре горелки 17. и внешние окружные группы 51 топливных форсунок, размещенные с внешней окружной стороны горелки 17, имеют разные системы подачи топлива. Динамическая сила текучей среды, действующая на топливную форсунку 14, по мере приближения к внешней окружной стороне горелки 17 становится более большой. Следовательно, динамическая сила текучей среды, действующая на внешнюю окружную группу 51 топливных форсунок, становится больше, чем динамическая сила текучей среды, действующая на центральную группу 50 топливных форсунок.
В этом варианте осуществления настоящего изобретения в составе внешних окружных групп 51 топливных форсунок, которые окружают центральную группу 50 топливных форсунок и на которые действует более большая динамическая сила текучей среды, использованы топливные форсунки 53 большого внешнего диаметра, каждая из которых имеет такой же внешний диаметр, как показанный на фиг. 5. В то же время в составе центральной группы 50 топливных форсунок, размещенных в центре, использованы топливные форсунки 54 малого внешнего диаметра. Это обеспечивает высокую плотность размещения топливных форсунок и сокращение стоимости производства.
Во втором варианте осуществления настоящего изобретения, как показано на фиг. 5, более большим является внешний диаметр только каждой из топливных форсунок 53. составляющих группу 52 топливных форсунок внешней окружной группы 51 топливных форсунок, на которые действует особенно большая динамическая сила текучей среды. В этом варианте осуществления настоящего изобретения для каждой из систем подачи топлива внешний диаметр каждой из топливных форсунок 53 унифицирован, что позволяет рассчитывать на сокращение стоимости производства.
Описанный выше вариант осуществления позволяет получить те же технические эффекты, что и во втором варианте осуществления.
Четвертый вариант осуществления
На фиг. 8 представлено распределение внешних диаметров топливных форсунок камеры сгорания газовой турбины в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения.
Как показано на фиг. 8, из данных испытаний, представленных на фиг. 3, следует, что динамическая сила текучей среды, действующая на топливную форсунку 14, пропорциональна радиальному расстоянию топливной форсунки 14 от центра горелки.
Если предположить, что динамическая сила текучей среды определяется как равномерно распределенная нагрузка, а топливная форсунка 14 является консольной, то напряжение обратно пропорционально кубу внешнего диаметра топливной форсунки 14. Поэтому, когда вибрационное напряжение, которое возникает в топливных форсунках 14, остается постоянным независимо от расстояния, внешний диаметр топливной форсунки 14, как показано на минимальном внешнем диаметре 80 на фиг. 8, становится пропорциональным 1/3 радиального расстояния.
Однако помимо динамической силы текучей среды, вызываемой потоком сжатого воздуха, необходимо учитывать и вибрацию всей камеры сгорания. Поэтому внешний диаметр топливной форсунки 14 имеет нижнее предельное значение, такое как минимальный внешний диаметр 81, показанный на фиг.8.
В конструкции, известной из уровня техники, внешний диаметр топливной форсунки 14 определяется расчетом прочности, придаваемой топливной форсунке на наиболее удаленной от центра окружности, и одинаковый внешний диаметр задается для всех топливных форсунок независимо от радиального расстояния от центра горелки.
В то же время во втором варианте осуществления, как показано на фиг. 5, одна группа топливных форсунок включает в себя два вида топливных форсунок, имеющих разные внешние диаметры. В третьем варианте осуществления, как показано на фиг. 7. в составе центральной группе топливных форсунок и внешних окружных групп топливных форсунок использовано два вида топливных форсунок, имеющих разные внешние диаметры. При этом внешний диаметр топливной форсунки задан равным или превышающим минимальный внешний диаметр, показанный на фиг. 8.
В рассматриваемом варианте осуществления настоящего изобретения внешний диаметр топливной форсунки может быть определен по распределению минимального внешнего диаметра. Так как внешние диаметры топливных форсунок различаются в зависимости от радиального расстояния от центра горелки, то реализовать этот вариант можно при условии изготовления горелки 17 по технологии трехмерного ламинирования.
При такой конструкции в соответствии с рассматриваемым вариантом осуществления настоящего изобретения внешние диаметры всех топливных форсунок являются равными минимальному внешнему диаметру, требуемому для обеспечения прочности. Поэтому может быть получен тот же технический эффект, что и в первом варианте осуществления, и топливные форсунки могут быть размещены с наиболее высокой плотностью.
Пятый вариант осуществления
Фиг. 9 в деталях иллюстрирует конструкцию горелки 17 камеры сгорания газовой турбины в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг. 9 представлен вид в разрезе горелки 17, состоящей из пластины 13 с топливными форсунками и топливных форсунок 14.
Проксимальный концевой участок 90 топливной форсунки 14 представляет собой участок возникновения наиболее высокого вибрационного напряжения. В соответствии с рассматриваемым вариантом осуществления настоящего изобретения внешний диаметр проксимального концевого участка 90 топливной форсунки 14 с внешней окружной стороны 91 сделан большим для уменьшения вибрационного напряжения. Внешний диаметр 92 дистального концевого участка топливного сопла 14 сделан таким же, как и внешний диаметр 94 топливного сопла 14 с внутренней окружной стороны 93, чтобы снизить потери давления, которые возникают, когда сжатый воздух 4 проходит через область 95 между топливными форсунками.
Так как динамическая сила текучей среды, действующая на топливные форсунки 14 с внутренней окружной стороны 93, является небольшой, внешний диаметр 94 сделан одинаковым в осевом направлении топливной форсунки. При этом топливные форсунки 14 малого внешнего диаметра размещены с высокой плотностью, что позволяет повысить дисперсность топлива.
Описанный выше вариант осуществления позволяет получить те же технические эффекты, что и в первом варианте осуществления, и обеспечивает снижение потерь давления, которые возникают, когда сжатый воздух 4 проходит через область 95 между топливными форсунками.
Рассмотренные выше варианты осуществления были описаны в деталях для облегчения понимания настоящего изобретения. Настоящее изобретение не обязательно ограничивается изобретением, имеющим все описанные выше конструкции. Можно частично заменить конструкцию в соответствии с одним из вариантов осуществления конструкцией в соответствии с другим вариантом осуществления или частично дополнить конструкцию в соответствии с одним из вариантов осуществления конструкцией в соответствии с другим вариантом осуществления. Также возможно дополнить, исключить и заменить часть конструкции в соответствии с одним из вариантов осуществления частью конструкции в соответствии с друтим вариантом осуществления.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1 - газотурбинная установка,
2 - воздух.
3 - компрессор,
4 - сжатый воздух,
5 - топливо,
6 - газ сгорания,
7 - камера сгорания,
8 - газовая турбина,
9 - генератор,
10 - торцевой фланец,
11 - внешний цилиндр.
12 - перфорированная пластина,
13 - пластина с топливными форсунками.
14 - топливная форсунка,
15 - вкладыш,
16 - проточный канал между внешним цилиндром и вкладышем,
17 - горелка,
18 - охлаждающий воздух.
19 - трубопровод подачи топлива,
20 - отверстие для форсунки в перфорированной пластине,
21 - смесь топлива и сжатого воздуха,
22 - секция камеры сгорания,
23 - пламя.
30 - верхний по потоку концевой участок топливной форсунки,
31 - нижний по потоку концевой участок топливной форсунки,
40 - центр горелки,
41 - нижняя по потоку сторона горелки,
50 - центральная группа топливных форсунок в центре горелки.
51 - группа топливных форсунок с внешней радиальной стороны горелки,
52 - наиболее удаленная от центра окружная группа топливных форсунок горелки,
53 - топливная форсунка большого внешнего диаметра,
54 - топливная форсунка малого внешнего диаметра,
60 - наиболее удаленная от центра окружная топливная форсунка,
90 - проксимальный концевой участок топливной форсунки,
91 - внешняя окружная сторона,
92 - внешний диаметр концевого участка внешней окружной топливной форсунки,
93 - внутренняя окружная сторона.
94 - внешний диаметр концевого участка внутренней окружной топливной форсунки,
95 - область между топливными форсунками, 100 - расстояние от центра горелки.