КАМЕРА СГОРАНИЯ С ОХЛАЖДЕНИЕМ СТЕНОК
COMBUSTION CHAMBER WITH COOLING WALLS

Изобретение относится к кольцевой камере сгорания газовой турбины со стенкой камеры, которая содержит элементы охлаждения на выходе из камеры сгорания.
Общеизвестно, что в кольцевых камерах сгорания газовой турбины возникают высокие температуры, превышающие допустимую температуру для материала, из которого изготовлена стенка камеры. Поэтому обычно используются элементы охлаждения. В данном случае известно направление сжатого воздуха, подаваемого от компрессора газовой турбины, вдоль стенки камеры сгорания. На нижней по потоку стороне камеры сгорания расположена расширительная турбина. Особенно трудно гарантировать достаточное охлаждение на конце стенки камеры в месте соединения с расширительной турбиной. В известном решении несколько охлаждающих отверстий расположены на нижнем по потоку крае стенки камеры. В результате, охлаждающий поток может пересекать стенку камеры непосредственно в тракте горячего газа в месте соединения камеры сгорания с расширительной турбиной.
Для дальнейшего повышения эффективности необходимо, насколько это возможно, предотвратить любые потери охлаждающего воздуха. Задачей изобретения является уменьшение потока охлаждающего воздуха в камеру сгорания и/или расширительную турбину.
Решение достигается с помощью изобретения в соответствии с п. 1 и п. 2 формулы изобретения. Газовая турбина с камерой сгорания, согласно изобретению, определена в п. 11 формулы изобретения. Предпочтительные решения являются предметом зависимых пунктов.
Типичная камера сгорания газовой турбины содержит кольцевую камеру сгорания повышенного давления, окружающую ось ротора. Газовая турбина дополнительно содержит горелки, расположенные верхней по потоку стороне камеры сгорания и расширительную турбину с впуском турбины, расположенную на нижней по потоку стороне камеры сгорания.
Камера сгорания реализуется с помощью стенки камеры, которая содержит внутреннюю стенку камеры на радиальной внутренней стороне камеры сгорания повышенного давления, и внешнюю стенку камеры на радиальной внешней стороне камеры сгорания повышенного давления. Кроме того, она дополнительно содержит головную стенку на верхней по потоку стороне камеры сгорания повышенного давления, что в дальнейшем не рассматривается для изобретения. Чтобы гарантировать жесткость стенки камеры и позволить обеспечение герметизации расширительной турбины, стенка камеры дополнительно содержит на нижнем по потоку конце камеры сгорания повышенного давления внутреннюю торцевую стенку, проходящую радиально внутрь от нижнего по потоку конца внутренней стенки камеры, и внешнюю торцевую стенку, проходящую радиально наружу от нижнего по потоку конца внешней стенки камеры, при этом обе стенки расположены рядом с впуском турбины.
Чтобы позволять охлаждение стенки камеры, камера сгорания дополнительно содержит часть для направления воздуха, расположенную на расстоянии от стенки камеры. Это приводит к образованию охлаждающего канала между стенкой камеры и частью для направления воздуха. Охлаждающий канал имеет ширину от стенки камеры до части для направления воздуха, которая может быть постоянной, но также различной по длине части для направления воздуха от нижнего по потоку конца камеры сгорания до верхней пор потоку стороны.
Область на торцевой стенке, начиная со стенки камеры, является наиболее критической областью в отношении перегрева. Чтобы гарантировать достаточное охлаждение этой области, необходимо в данном решении расположить часть для направления воздуха на определенном расстоянии от торцевой стенки. В этом контексте является важным, чтобы расстояние от части для направления воздуха до соответствующей торцевой стенки составляло по меньшей мере в 0,5-кратное значение наименьшей ширины от соответствующей ширины охлаждающего канала. Но максимальное значение 2-кратной наименьшей ширины охлаждающего канала не должно превышаться в положении с наименьшим расстоянием от соответствующей части для направления воздуха до соответствующей торцевой стенки (это положение должно быть рядом со стенкой камеры). В этом контексте наименьшее расстояние от стенки канала до соответствующей части для направления воздуха является наименьшей шириной охлаждающего канала.
Для защиты торцевой стенки от перегрева обычное решение содержит выступ, который продолжается как расширение стенки камеры. Кроме того, обычно охлаждающие отверстия расположены в торцевой стенке рядом со стенкой камеры, или непосредственно в стенке камеры на торцевой стенке.
Чтобы избежать перегрева и для экономии охлаждающего воздуха, решение согласно изобретению содержит на стенке камеры в соединении с торцевой стенкой угол без какого-либо выступа. Кроме того, необходимо, чтобы угол был непроницаемым для текучей среды без каких-либо охлаждающих отверстий.
Чтобы позволить обеспечить необходимое охлаждение этого угла, следует учитывать определенное соотношение между толщиной стенки соответствующей камеры и толщиной угла. При этом обеспечивается, что толщина угла не более чем в 2 раза превышает наименьшую толщину соответствующей стенки камеры в пределах длины соседнего элемента для направления воздуха.
Очевидно, что для внешней стороны с внешней стенкой камеры, внешней торцевой стенкой и внешним углом применяется то же самое, что и для внутренней стороны с внутренней стенкой камеры, внутренней торцевой стенкой и внутренним углом.
В принципе, при кольцеобразной конструкции всех деталей, это означает, что внутренняя стенка камеры, внешняя стенка камеры, внутренняя часть для направления воздуха и внешняя часть для направления воздуха, а также внутренний угол и внешний угол должны иметь форму вращения. Это приводит, в общем, к постоянной ширине охлаждающего канала в окружном направлении, а также к постоянному расстоянию от части для направления воздуха до торцевой стенки в окружном направлении.
При наличии какого-либо локального несоответствия в отношении ширины охлаждающего канала, например, в результате разделения детали на верхнюю и нижнюю часть, вместо наименьшей ширины охлаждающего канала необходимо принять промежуточное расстояние, которое рассчитывается по наименьшему свободному поперечному сечению/площади сечения потока (перпендикулярно потоку охлаждающего воздуха внутри охлаждающего канала). Аналогичным образом, если существует какое-либо локальное несоответствие в отношении расстояния от части для направления воздуха до торцевой стенки, вместо наименьшего расстояния от части для направления воздуха до торцевой стенки необходимо взять промежуточное расстояние, рассчитанное по наименьшему свободному поперечному сечению/площади сечения потока.
Концепция кольцевой камеры сгорания с кольцевой камерой сгорания повышенного давления и, следовательно, с кольцевой внутренней стенкой камеры и кольцевой внешней стенкой камеры, возможны два варианта реализации решений изобретения. В первом варианте осуществления изобретения камера сгорания содержит внутреннюю часть для направления воздуха, которая расположена, как описано выше, в непроницаемом для текучей среды внутреннем углу. Во втором варианте осуществления изобретения камера сгорания содержит внешнюю часть для направления воздуха, которая расположена, как описано выше, в непроницаемом для текучей среды внешнем углу. В третьем варианте осуществления изобретения на внутренней стороне, а также на внешней стороне расположена часть для направления воздуха в соответствующем непроницаемом для текучей среды углу (комбинация первого и второго вариантов осуществления).
Решение согласно изобретению предотвращает потери охлаждающего воздуха. Чтобы гарантировать охлаждение стенки камеры, обеспечивается специальное расположение части для направления воздуха в углу. Это позволяет охлаждать край с помощью потока охлаждающего воздуха, который затем можно использовать в качестве воздуха для горения.
Формулировки «нижний по потоку» и «верхний по потоку» всегда используются в отношении направления горячего газа, протекающего через камеру сгорания повышенного давления, независимо от того, имеет или нет охлаждающий поток противоположное направление.
Для предотвращения локального перегрева стенки камеры следует избегать острого края в углу. Вместо этого, особенно предпочтительно, чтобы внутренний угол и соответственно внешний угол имели криволинейную форму. Это является недостатком с точки зрения направления горячего газа, вытекающего из камеры сгорания повышенного давления в расширительную турбину, но предотвращение расположения охлаждающих отверстий в углу является более предпочтительным для того, чтобы обосновать наличие угла с криволинейной формой.
Чтобы позволить предпочтительное охлаждение угла, необходимо учитывать более точное соотношение между толщиной стенки камеры и толщиной угла. В данном случае предпочтительно, чтобы толщина внутреннего угла не превышала более чем в 1,5 раза наименьшую толщину стенки камеры в пределах длины соседней внутренней части для направления воздуха. Очевидно, то же самое применимо и к внешнему углу, так как его толщина должна предпочтительно не превышать более чем в 1,5 раза наименьшую толщину стенки внешней камеры в области внешней части для направления воздуха. Особенно предпочтительно, если толщина угла не превышает наименьшую толщину соответствующей стенки камеры в пределах длины соседней части для направления воздуха.
Чтобы позволить предпочтительное охлаждающий поток в углу и дополнительно между стенкой камеры и частью для направления воздуха вдоль охлаждающего канала, предпочтительно увеличить ширину охлаждающего канала или оставить ширину по меньшей мере постоянной, что подразумевает расстояние от стенки канала до части для направления воздуха в направлении от угла к верхней по потоку стороне камеры сгорания.
Чтобы позволить предпочтительный охлаждающий поток в углу, также является предпочтительным, если внутренняя часть для направления воздуха имеет на своем конце, близком к внутреннему углу, криволинейную форму, смещенную от внутреннего угла, и/или если внешняя часть для направления воздуха имеет на своем конце, близком к внешнему углу, криволинейную форму, смещенную от внешнего угла.
Эффективная фиксация части для направления воздуха может быть достигнута с помощью расположения радиальных ребер. Следовательно, предпочтительно располагать внутренние радиальные ребра между внутренней частью для направления воздуха и внутренней стенкой камеры, и/или между внутренней частью для направления воздуха и внутренней торцевой стенкой. Аналогичным образом, предпочтительно располагать внешние радиальные ребра между внешней частью для направления воздуха и внешней стенкой камеры, и/или между внешней частью для направления воздуха и внешней торцевой стенкой.
Чтобы позволить предпочтительную установку уплотнения между камерой сгорания и расширительной турбиной предпочтительным является расположение внутреннего посадочного места на внутренней торцевой стенке с радиальной внутренней стороны. В данном случае особенно предпочтительно использовать открытую радиально внутрь канавку для установки внутреннего уплотнения. Аналогичным образом, предпочтительно расположить внешнее посадочное место на внешней торцевой стенке с радиальной внешней стороны. В данном случае особенно предпочтительно использовать открытую радиально наружу канавку для установки внешнего уплотнения.
Чтобы позволить обеспечение достаточного охлаждения стенки камеры по всей длине камеры сгорания и, кроме того, для направления дополнительного охлаждающего воздуха вдоль стенки камеры, предпочтительно дополнительно установить панель для направления воздуха с разнесением от стенки камеры, чтобы позволить обеспечить дополнительный поток сжатого воздуха между стенкой камеры и панелью для направления воздуха.
Следовательно, предпочтительным является, чтобы внутренняя панель для направления воздуха была расположена на радиальной внутренней стороне внутренней стенки камеры. Кроме того, обеспечивается, что внутренняя панель для направления воздуха перекрывает с радиальной внутренней стороны верхний по потоку конец внутренней части для направления воздуха коротким участком на нижнем по потоку конце. Это приводит к образованию внутреннего впуска для воздуха в виде открытого пространства между внутренней частью для направления воздуха и внутренней панелью для направления воздуха.
Равным образом внешняя панель для направления воздуха предпочтительно расположена на радиальной внешней стороне внешней стенки камеры. Кроме того, обеспечивается, что внешняя панель для направления воздуха перекрывает с радиальной внешней стороны верхний по потоку конец внешней части для направления воздуха коротким участком на нижнем по потоку конце. Это приводит к образованию впуска для внешнего воздуха в виде открытого пространства между внешней частью для направления воздуха и панелью для направления внешнего воздуха.
Новая камера сгорания согласно изобретению, как описано выше, позволяет использовать новую газовую турбину согласно изобретению, которая содержит компрессор, расположенный выше по потоку от камеры сгорания, и расширительную турбину, расположенную ниже по потоку от камеры сгорания, при этом впуск турбины расположен рядом с камерой сгорания. Кроме того, определенное количество горелок монтируется в головной части камеры сгорания на верхней по потоку стороне.
Расположение впуска турбины рядом с камерой сгорания приводит к наличию внутреннего зазора между внутренним углом и впуском турбины и аналогично внешнего зазора между внешним углом и впуском турбины. Чтобы позволить обеспечить максимальное преимущество камеры сгорания согласно изобретению, предпочтительно располагать впуск турбины на определенном расстоянии до камеры сгорания.
Поэтому предпочтительно располагать внутренний угол на расстоянии от впуска турбины, максимально равном 0,1-кратному расстоянию между внутренним углом и внешним углом. Особенно предпочтительно ограничить ширину внутреннего зазора до 0,07-кратного расстояния между внутренним углом и внешним углом. Аналогичным образом, предпочтительно располагать внешний угол на расстоянии от впуска турбины, максимально равном 0,1-кратному расстоянию между внутренним углом и внешним углом. Кроме того, особенно предпочтительно ограничить ширину внешнего зазора до 0,07-кратного расстояния между внутренним углом и внешним углом.
Кроме того, предпочтительно располагать часть для направления воздуха на определенном расстоянии от впуска турбины. Это приводит к предпочтительной компоновке с расстоянием от внутренней части для направления воздуха до впуска турбины, по меньшей мере в 1,5 раза превышающим ширину внутреннего зазора. Аналогичным образом, предпочтительно располагать внешнюю часть для направления воздуха на расстоянии от впуска турбины, по меньшей мере в 1,5 раза превышающем ширину внешнего зазора. Особенно предпочтительно, если расстояние между частью для направления воздуха и впуском турбины по меньшей мере в 2 раза превышает ширину соответствующего зазора.
При этом также предпочтительно, если расстояние между частью для направления воздуха и впуском турбины не более чем в 3 раза превышает ширину соответствующего зазора. Особенно предпочтительно, если расстояние от внутренней части для направления воздуха до впуска турбины не более чем в 2,5 раза превышает ширину внутреннего зазора. Опять же, аналог является особенно предпочтительным, если расстояние от внешней части для направления воздуха до впуска турбины не более чем в 2,5 раза превышает ширину внешнего зазора.
Это предпочтительное расположение камеры сгорания относительно впуска турбины и, кроме того, расположение части для направления воздуха относительно угла приводит к охлаждающему эффекту, обеспечивающему преимущество.
Для предотвращения нежелательного охлаждающего потока в зазоре между камерой сгорания и турбиной, более конкретно между внутренней торцевой стенкой, соответственно, внешней торцевой стенкой и впуском турбины, также обеспечивается преимущество в случае расположения внутреннего уплотнения на внутренней стороне между внутренней торцевой стенкой и впуском турбины и/или внешним уплотнением между внешней торцевой стенкой и впуском турбины. При этом уплотнение должно проходить в радиальном направлении и устанавливаться в торцевой стенке, предпочтительно во внутренней канавке, соответственно во внешней канавке.
На фигуре пример камеры 01 сгорания согласно изобретению частично показан с областью (относящейся к изобретению) рядом с расположенной ниже по потоку расширительной турбиной, на виде в разрезе. В нижней части фигуры схематично показана ось 09 ротора. Впуск 08 турбины расположен на нижней по потоку стороне камеры 01 сгорания, которая частично показана на правой стороне фигуры. Камера 01 сгорания содержит камеру 02 сгорания повышенного давления в своей внутренней части, при этом камера 01 сгорания с камерой 02 сгорания повышенного давления имеет кольцевую форму, окружающую ось 09 ротора.
На радиальной внутренней стороне камеры 02 сгорания повышенного давления, обращенной к оси 09 ротора, камера 01 сгорания содержит внутреннюю стенку 11 камеры, при этом на противоположной радиальной внешней стороне камеры 02 сгорания повышенного давления расположена внешняя стенка 21 камеры. Рядом с впуском 08 турбины с внутренней стороны расположена внутренняя торцевая стенка 13, а с внешней стороны – внешняя торцевая стенка 23. Обе стенки 13, 23 проходят в радиальном направлении, при этом обе стенки 13, 23 содержат кольцевую канавку 18, 28, которая открыта на внутренней стороне радиально внутрь и на внешней стороне радиально наружу.
Внутренняя стенка 11 камеры с внутренней торцевой стенкой 13 образуют внутренний угол 12, а внешняя стенка камеры с внешней торцевой стенкой образуют внешний угол 22. Преимуществом здесь является то, что угол является непроницаемым для текучей среды.
Камера 01 сгорания дополнительно содержит на расстоянии от внутренней стенки 11 камеры на внутренней стороне, обращенной к оси 09 ротора, внутреннюю часть 14 для направления воздуха, эта часть 14 проходит примерно параллельно внутренней стенке 11 камеры с нижним по потоку концом, который находится близко к внутреннему углу 12. Между внутренней стенкой 11 камеры и внутренней частью 14 для направления воздуха образован внутренний охлаждающий канал 16, проходящий по ширине от нижнего по потоку конца к верхней по потоку стороне. Аналогичным образом, с внешней стороны, внешняя часть 24 для направления воздуха расположена на внешней стороне внешней стенки 21 камеры. Между внешней стенкой 21 камеры и внешней частью 24 для направления воздуха также образован внешний охлаждающий канал 26 с увеличивающейся шириной от нижнего по потоку конца к верхней по потоку стороне.
Затем частично показана внутренняя панель 15 направления воздуха, смещенная от внутренней стенки 11 камеры, обращенная к оси 09 ротора. Нижний по потоку конец панели 15 направления 6оздуха перекрывает верхний по потоку конец части 14 для направления воздуха. Между ними реализован внутренний впуск 17 для воздуха. То же самое снова относится к внешней стороне. Внешняя панель 25 для направления воздуха расположена со смещением от внешней стенки 21 камеры и перекрывает внешнюю часть 24 для направления воздуха с промежуточным впуском 27 для внешнего воздуха.
При работе газовой турбины сжатый воздух в качестве охлаждающего воздуха может частично протекать вокруг частей 14, 24 для направления воздуха вдоль торцевой стенки 13, 23, вместо того чтобы протекать вдоль угла 12, 22 и стенки 11, 21 камеры. Другая часть охлаждающего воздуха вводится через впуск 17, 27 для воздуха, чтобы охлаждать стенки 11, 21 камеры.
Далее показано внутреннее уплотнение 19 и внешнее уплотнение 29 для предотвращения неконтролируемого потока охлаждающего воздуха в зазор 10, 20 между углом 12, 22, соответствующим торцевой стенке 13, 23, и впуском 08 турбины.
Далее показана предпочтительная форма угла 12, 22 с изогнутой формой и, кроме того, предпочтительное расположение части 14, 24 для направления воздуха относительно угла 12, 22 и относительно впуска 08 турбины.