Камера сгорания газовой турбины
GAS TURBINE COMBUSTOR

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится, в общем, к камере сгорания газовой турбины и, в частности, к камере сгорания газовой турбины, подходящей для конструкции, включающей в себя множество камер сгорания для сжигания смеси топлива и воздуха, соединенных между собой пламяпередающим патрубком.
Описание предшествующего уровня техники
Одним из известных типов газовой турбины является газовая турбина многосекционного типа, которая включает в себя множество камер сгорания газовой турбины (именуемых далее камерами сгорания) в одной газовой турбине. Как правило, в газовой турбине многосекционного типа камеры сгорания установлены кольцеобразно вокруг газовой турбины. Одна, или более, из камер сгорания снабжена воспламенительным устройством, в то время как в других камерах сгорания воспламенительные устройства отсутствуют. Воспламенение в камере сгорания, не имеющей воспламенительного устройства, осуществляется через патрубок, называемый пламяпередающим патрубком, который соединяет соседние камеры сгорания между собой. При запуске газовой турбины воспламенение осуществляется вначале в камере сгорания, имеющей воспламенительное устройство, а в соседних камерах сгорания воспламенение осуществляется через пламяпередающие патрубки, так что обеспечивается воспламенение во всех камерах сгорания.
Указанный выше пламяпередающий патрубок, как правило, имеет конструкцию двойного патрубка, включающего в себя внутренний патрубок и внешний патрубок. Внутренний патрубок соединяет секции камеры сгорания соседних камер сгорания между собой. По внутреннему патрубку могут проходить высокотемпературные отработавшие газы сгорания, обеспечивающие, таким образом, распространение пламени. Внешний патрубок располагается со стороны внешней окружной поверхности внутреннего патрубка. Внешний патрубок соединяет каналы для воздуха для горения соседних камер сгорания один между собой и охватывает внутреннюю трубу.
Пламяпередающий патрубок представляет собой элемент конструкции, необходимый для выполнения описанной выше операции воспламенения и требуемый для обеспечения надежного воспламенения. При этом пламяпередающий патрубок подвергается действию высокотемпературных отработавших газов сгорания, и поэтому требуется принятие соответствующих мер по предотвращению тепловой деформации и прогорания этого патрубка. Кроме того, требуется также обратить внимание, например, на способы сборки, применимые для соединения камер сгорания между собой, и способы предотвращения возможной деформации. Известные способы описаны, например, в заявках JP-10-339440-А и JP-2004-317008-A.
Заявка JP-10-339440-А раскрывает способ предотвращения прогорания пламяпередающего патрубка за счет охлаждения. Заявка JP-2004-317008-A раскрывает способ подавления неравномерности потока воздуха для горения, вызываемой пламяпередающим патрубком, который является препятствием для потока воздуха для горения.
Следует отметить, что в пламяпередающем патрубке используется перепад давлений, возникающий между камерой сгорания, в которой сгорание уже завершено, и соседней камерой сгорания, в которой воспламенения еще не произошло, что, таким образом, вызывает прохождение отработавших газов сгорания в эту камеру сгорания, в которой воспламенения еще не произошло, и в которой должно произойти воспламенение. В случае завершения воспламенения во всех камерах сгорания и выравнивания количества воздуха, количества топлива и давления между различными камерами сгорания перепад давлений между различными камерами сгорания исчезает, и прохождение отработавших газов сгорания через пламяпередающие патрубки прекращается. В этом случае прохождение высокотемпературных отработавших газов сгорания через пламяпередающие патрубки продолжается только в течение короткого промежутка времени во время воспламенения. Однако на практике при переходе от одной камеры сгорания к другой количество воздуха, количество топлива, давление и состояние горения изменяются.
Поэтому в некоторых случаях между соседними камерами сгорания возникает перепад давлений, и продолжается прохождение высокотемпературных отработавших газов сгорания через пламяпередающий патрубок. При этом внутренняя стенка пламяпередающего патрубка непрерывно подвергается действию высокотемпературных отработавших газов сгорания и вследствие этого нагревается до высоких температур. Поэтому для предотвращения тепловой деформации и прогорания пламяпередающего патрубка требуется охлаждение.
Одним известным способом охлаждения пламяпередающего патрубка является способ направления части воздуха для горения внутрь пламяпередающего патрубка через отверстие для воздуха, сформированное в пламяпередающем патрубке, для охлаждения. Для пламяпередающего патрубка, имеющего конструкцию двойного патрубка, этот способ включает в себя охлаждение поверхности стенки внутреннего патрубка за счет воздуха для горения во внешнем патрубке при прохождении воздуха для горения во внутренний патрубок через отверстие для воздуха, сформированное в стенке внутреннего патрубка.
В случае охлаждения поверхности внутреннего патрубка с использованием отверстия для воздуха, сформированного в стенке внутреннего патрубка, приток воздуха вызывает снижение температуры отработавших газов сгорания, которые проходят через внутренний патрубок пламяпередающего патрубка. Использование множества отверстий для воздуха для увеличения притока воздуха, предназначенного для охлаждения поверхности стенки внутреннего патрубка, приводит к охлаждению отработавших газов сгорания во внутреннем патрубке пламяпередающего патрубка, что не позволяет обеспечить требуемого распространения пламени во время воспламенения. Поэтому существует ограничение на число отверстий для воздуха или количество притекающего воздуха, и в некоторых случаях использование отверстий для воздуха для предотвращения тепловой деформации и прогорания становится затруднительным.
Камера сгорания многосекционного типа включает в себя кольцевой канал для воздуха для горения, размещенный на ее внешней окружной поверхности вокруг секции камеры сгорания, которая образует пространство для горения. Пламяпередающий патрубок, который соединяет соседние секции камеры сгорания между собой, пересекает канал для воздуха для горения. В случае пламяпередающего патрубка, имеющего конструкцию двойного патрубка, внутренний патрубок пламяпередающего патрубка пересекает канал для воздуха для горения. При этом внутренний патрубок служит препятствием для потока воздуха для горения.
x
Так как на участках внутреннего патрубка со стороны вниз по потоку скорость потока воздуха снижается относительно потока воздуха для горения и расход воздуха уменьшается, то в потоке воздуха для горения, притекающего в секцию камеры сгорания, возникает неравномерность в окружном направлении. В результате в секции камеры сгорания происходит неравномерное смешивание топлива и воздуха для горения между собой. Как правило, для сгорания в газовой турбине используется обедненное топливо, в котором количество топлива меньше, чем количество воздуха. При этом локальное повышение содержания топлива приводит к повышению температуры горения на этом локальном участке и, таким образом, к увеличению выбросов оксидов азота (NO). И напротив, при локальном повышении содержания воздуха вследствие низкой температуры горения распространения реакции сгорания не происходит, и появляются несгоревшие углеводороды, такие как моноксид углерода. Таким образом, для повышения эффективности сгорания в предпочтительном варианте обеспечивают равномерное смешивание топлива и воздуха для горения между собой и, таким образом, обеспечивают возможность подавления неравномерности воздуха для горения.
Для подавления неравномерности воздуха для горения в окружном направлении требуется уменьшение площади поперечного сечения внутреннего патрубка, и, таким образом, уменьшение сопротивления потоку воздуха для горения. Однако уменьшение площади поперечного сечения внутреннего патрубка приводит к снижению количества газов сгорания, проходящих через этот патрубок во время воспламенения, и не позволяет обеспечить требуемого распространения пламени.
Настоящее изобретение было разработано с учетом вышеописанной ситуации, и задачей настоящего изобретения является создание камеры сгорания газовой турбины, позволяющей охладить пламяпередающий патрубок во время воспламенения в камере сгорания без снижения температуры отработавших газов сгорания, проходящих через пламяпередающий патрубок, предотвратить тепловую деформацию и прогорание пламяпередающего патрубка, подавить неравномерность воздуха для горения в окружном направлении, возникающую на участках внутреннего патрубка пламяпередающего патрубка со стороны вниз по потоку, и уменьшить выбросы оксидов азота и несгоревших углеводородов, таких как моноксид углерода, из газовой турбины.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для решения поставленной задачи в настоящем изобретении предлагается камера сгорания газовой турбины с конструкцией, включающей в себя множество камер сгорания. Каждая камера сгорания включает в себя секцию камеры сгорания, имеющую на своей внешней окружной поверхности кольцевой канал для воздуха для горения. Одна камера сгорания соединена с соседней другой камерой сгорания пламяпередающим патрубком. Воспламенение в соседней другой камере сгорания осуществляется с помощью пламяпередающего патрубка. Пламяпередающий патрубок имеет конструкцию двойного патрубка, включающего в себя внутренний патрубок, внешний патрубок, окна и направляющие пластины. Внутренний патрубок соединяет секции камеры сгорания соседних камер сгорания между собой. Внешний патрубок охватывает внутренний патрубок и соединяет каналы для воздуха для горения соседних камер сгорания между собой. Окна располагаются между внутренним патрубком и внешним патрубком на внешних окружных разделительных стенках каналов для воздуха для горения, сообщающихся с внешним патрубком пламяпередающего патрубка. Окна обеспечивают возможность прохождения воздуха для горения на участках внутреннего патрубка со стороны вверх по потоку и со стороны вниз по потоку относительно потока воздуха для горения, проходящего через каналы для воздуха для горения, вокруг внутреннего патрубка. Направляющие пластины установлены на участках внутреннего патрубка со стороны вверх по потоку. Направляющие пластины обеспечивают направление воздуха для горения через окно в пространство внутри внешнего патрубка.
Согласно настоящему изобретению охлаждение пламяпередающего патрубка во время воспламенения в камере сгорания газовой турбины может осуществляться без снижения температуры отработавших газов сгорания, проходящих через пламяпередающий патрубок, что позволяет предотвратить тепловую деформацию и прогорание пламяпередающего патрубка. Кроме того, появляется возможность подавления неравномерности воздуха для горения, возникающей на участках внутреннего патрубка пламяпередающего патрубка со стороны вниз по потоку и, таким образом, уменьшения выбросов оксидов азота и несгоревших углеводородов, таких как моноксид углерода, из газовой турбины.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - схематический вид камеры сгорания газовой турбины в газовой турбине, которая включает в себя камеру сгорания газовой турбины согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, в разрезе.
Фиг. 2 - схематический вид камеры сгорания, показанной на фиг. 1, в разрезе по линии А-А.
Фиг. 3 - схематический вид камеры сгорания газовой турбины в газовой турбине, которая включает в себя камеру сгорания газовой турбины, известную из уровня техники.
Фиг. 4 - схематический вид камеры сгорания, показанной на фиг.3, в разрезе по линии А-А.
Фиг. 5 - схематический вид камеры сгорания газовой турбины в газовой турбине, которая включает в себя камеру сгорания газовой турбины согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения, в разрезе.
Фиг. 6 - схематический вид камеры сгорания газовой турбины в газовой турбине, которая включает в себя камеру сгорания газовой турбины согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения, в разрезе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Ниже со ссылками на прилагаемые чертежи приводится описание камеры сгорания газовой турбины согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. При этом на всех чертежах одни и те же позиции относятся к одним и тем же элементам конструкции.
Первый вариант осуществления
На фиг. 1 представлена газовая турбина, которая включает в себя камеру сгорания газовой турбины согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг. 2 представлена камера сгорания, показанная на фиг. 1, в разрезе по линии А-А. На фиг. 3 представлена газовая турбина, которая включает в себя камеру сгорания газовой турбины, известную из уровня техники, показанную для сравнения с камерой сгорания газовой турбины согласно первому варианту осуществления, показанной на фиг. 1. На фиг. 4 представлена камера сгорания, показанная на фиг. 3, в разрезе по линии А-А.
Прежде всего, со ссылками на фиг. 1 и 2 рассмотрим функции и задачи пламяпередающего патрубка, используемого в камере сгорания газовой турбины согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. Затем рассмотрим камеру сгорания газовой турбины согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения в сравнении камерой сгорания газовой турбины, известной из уровня техники, которая показана на фиг. 3 и 4.
Как показано на фиг. 1, газовая турбина 1 включает в себя компрессор 2, камеры 3А и 3В сгорания, турбину 4 и генератор 5 мощности. Приводной вал 6 соединяет компрессор 2, турбину 4 и генератор 5 мощности между собой. Воздух 7 (воздух для горения), сжатый с помощью компрессора 2, смешивается с топливом 15, сжигается в камерах 3А и 3В сгорания и превращается в высокотемпературный отработавший газ 8 сгорания, имеющий высокое давление и обеспечивающий восстановление энергии в турбине 4 и вырабатывание электрической мощности с помощью генератора 5 мощности.
Камеры 3А и 3В сгорания имеют головные части 9А и 9В (слева на фиг. 1), размещенные со стороны компрессора 2, и хвостовые части 10А и 10В (справа на фиг. 1), размещенные со стороны турбины 4. Камеры 3А и 3В сгорания включают в себя секции 11А и 11В камеры сгорания, разделительные стенки (лейнеры) 12А и 12В, образующие секции 11А и 11В камеры сгорания, каналы 13А и 13В для воздуха для горения и внешние окружные разделительные стенки 14А и 14 В, располагающиеся в последовательности от центра наружу.
Воздух 7 для горения, выброшенный из компрессора 2, проходит от хвостовых частей 10А и 10В камер 3А и 3В сгорания через каналы 13А и 13В для воздуха для горения в сторону головных частей 9А и 9В камер 3А и 3В сгорания. В головных частях 9А и 9В камер 3А и 3В сгорания воздух 7 для горения изменяет направление своего прохождения на противоположное, а затем смешивается с топливом 15, подаваемым из внешнего источника, и сжигается в секциях 11А и 11В камеры сгорания. Отработавший газ 8 сгорания проходит из хвостовых частей 10А и 10В камер 3А и 3В сгорания в турбину 4 и выбрасывается наружу.
При этом для упрощения описания фиг. 1 и 3 иллюстрируют конструкцию с двумя камерами сгорания, однако то же самое описание может быть использовано и применительно к конструкции с тремя или более камерами сгорания. Кроме того, фиг. 1 и 3 иллюстрируют конструкцию, в которой компрессор 2, турбина 4 и генератор 5 мощности соединены между собой с помощью одного приводного вала 6, однако приводной вал 6 может включать в себя множество разделенных приводных валов. Кроме того, приводной вал 6 может быть использован для привода не генератора 5 мощности, а другого вращающегося элемента конструкции.
В газовой турбине 1, показанной на фиг. 1 или 3, камера 3А сгорания снабжена воспламенительным устройством 17, а пламяпередающий патрубок 20 соединяет камеры 3А и ЗВ сгорания между собой. Пламяпередающий патрубок 20 имеет конструкцию двойного патрубка, включающего в себя внутренний патрубок 21 и внешний патрубок 22. Внутренний патрубок 21 пламяпередающего патрубка 20 соединен с разделительными стенками (лейнерами) 12А и 12В секций 11А и 11В камеры сгорания, и через него может проходить отработавший газ 16 сгорания внутри секций 11А и 11В камеры сгорания. Внешний патрубок 22 пламяпередающего патрубка 20 соединен с внешними окружными разделительными стенками 14А и 14В каналов 13А и 13В для воздуха для горения, и через него может проходить воздух 7 для горения.
Во время воспламенения в газовой турбине 1 воспламенительное устройство 17, установленное в камере 3А сгорания, обеспечивает воспламенение смеси топлива 15 и воздуха в секции 11А камеры сгорания. Давление внутри секции 11А камеры сгорания вследствие образования отработавшего газа 8 сгорания начинает повышаться, а в секции 11В камеры сгорания вследствие отсутствия воспламенения давление остается низким. Поэтому отработавший газ 16 сгорания начинает проходить через внутренний патрубок 21 пламяпередающего патрубка 20, который соединяет секции 11А и 11В камеры сгорания между собой, из секции 11А камеры сгорания в секцию 11В камеры сгорания. В секции 11В камеры сгорания высокотемпературный отработавший газ 16 сгорания, прошедший через внутренний патрубок 21 пламяпередающего патрубка 20, обеспечивает воспламенение смеси топлива 15 и воздуха.
Как указано выше, в результате последовательного воспламенения в соседних камерах 3А и 3В сгорания через пламяпередающий патрубок 20 может быть обеспечено воспламенение во всех камерах сгорания.
При выравнивании количества воздуха, расхода топлива и давления между различными камерами сгорания и завершения воспламенения во всех камерах сгорания перепад давлений между камерами сгорания исчезает. В этом случае прохождение высокотемпературного отработавшего газа 16 сгорания, проходящего через внутренний патрубок 21 пламяпередающего патрубка 20, прекращается, и высокотемпературный отработавший газ 16 сгорания проходит через внутренний патрубок 21 пламяпередающего патрубка 20 только в течение короткого промежутка времени во время воспламенения.
Однако на практике при переходе от одной камеры сгорания к другой количество воздуха, расход топлива и состояние горения могут изменяться. В этом случае из-за перепада давлений между соседними камерами 3А и 3В прохождение высокотемпературного отработавшего газа 16 сгорания через внутренний патрубок 21 пламяпередающего патрубка 20 может продолжаться. Прохождение высокотемпературного отработавшего газа 16 сгорания может приводить к повышению температуры внутреннего патрубка 21 пламяпередающего патрубка 20 и при длительной эксплуатации вызывать деформацию и повреждение этого внутреннего патрубка. Для предотвращения деформации и повреждения внутренний патрубок 21 пламяпередающего патрубка 20 необходимо охлаждать.
Камеры 3А и 3В сгорания имеют кольцевые каналы 13А и 13В для воздуха для горения, размещенные на внешних окружных поверхностях секций ПА и 11 В камеры сгорания. Пламяпередаюпщй патрубок 20, который соединяет соседние секции 11А и 11В камеры сгорания между собой, пересекает каналы 13А и 13В для воздуха для горения. В случае пламяпередающего патрубка 20, имеющего конструкцию двойного патрубка, внутренний патрубок 21 пламяпередающего патрубка 20 пересекают каналы 13А и 13В для воздуха для горения. При этом внутренний патрубок 21 пламяпередающего патрубка 20 служит препятствием для потока воздуха 7 для горения. Так как на участках внутреннего патрубка 21 пламяпередающего патрубка 20 со стороны вниз по потоку скорость потока воздуха снижается и расход воздуха уменьшается, то в потоке воздуха 7 для горения, притекающего в секции 11А и 11В камеры сгорания, возникает неравномерность в окружном направлении. В результате в секциях 11А и 11В камеры сгорания происходит неравномерное смешивание топлива и воздуха для горения между собой.
x
Как правило, для сгорания в газовой турбине 1 используется обедненное топливо, в котором количество топлива 15 меньше, чем количество воздуха. При этом локальное повышение содержания топлива 15 приводит к повышению температуры горения на этом локальном участке и, таким образом, к увеличению выбросов оксидов азота (NO). И напротив, при локальном повышении содержания воздуха вследствие низкой температуры горения распространения реакции сгорания не происходит, и появляются несгоревшие углеводороды, такие как моноксид углерода. Таким образом, для повышения эффективности сгорания в предпочтительном варианте топливо 15 и воздух 7 для горения подвергаются равномерному смешиванию между собой и, таким образом, обеспечивается возможность подавления неравномерности воздуха 7 для горения.
В газовых турбинах, известных из уровня техники, показанных на фиг. 3 и 4, разделительная стенка 23, которая образует внутренний патрубок 21 пламяпередающего патрубка 20, снабжена отверстиями 24 для воздуха. Отверстия 24 для воздуха предназначены для охлаждения внутреннего патрубка 21 пламяпередающего патрубка 20. То есть, как показано на фиг. 3 и 4, пространство 26 со стороны внешней окружной поверхности разделительной стенки 23, которая образует внутренний патрубок 21 (между внутренним патрубком 21 и внешним патрубком 22), сообщается с каналами 13А и 13В для воздуха для горения. Кроме того, пространство 25 со стороны внутренней окружной поверхности разделительной стенки 23, которая образует внутренний патрубок 21, сообщается с секциями 11А и 11В камеры сгорания.
При такой конструкции давление в пространстве 25 со стороны внутренней окружной поверхности разделительной стенки 23, которая образует внутренний патрубок 21, ниже, чем давление в пространстве 26 со стороны внешней окружной поверхности разделительной стенки 23. Поэтому воздух 7 для горения в пространстве 26 со стороны внешней окружной поверхности проходит через отверстия 24 для воздуха, сформированные в разделительной стенке 23 (во внутреннем патрубке 21), в сторону внутренней окружной поверхности, как указано стрелкой 28, и охлаждает разделительную стенку 23, которая образует внутренний патрубок 21.
Таким образом, отверстия 24 для воздуха в разделительной стенке 23 обеспечивают охлаждение разделительной стенка 23 внутреннего патрубка 21, однако приток воздуха приводит к снижению температуры отработавшего газа 16 сгорания, который проходит через внутренний патрубок 21 пламяпередающего патрубка 20. В частности, формирование множества отверстий 24 для воздуха приводит к ускорению охлаждения отработавшего газа 16 сгорания, который проходит через внутренний патрубок 21, и не позволяет обеспечить требуемого распространения пламени из камеры 3А сгорания в камеру сгорания 3В во время воспламенения. Поэтому существует ограничение на число отверстий 24 для воздуха, сформированных в разделительной стенке 23, или количество притекающего воздуха, и в некоторых случаях использование отверстий 24 для воздуха в разделительной стенке 23 для предотвращения тепловой деформации и прогорания становится затруднительным
Другим возможным способом охлаждения разделительной стенки 23 внутреннего патрубка 21 пламяпередающего патрубка 20 является способ пропускания воздуха 7 для горения со стороны внешней окружной поверхности внутреннего патрубка 21, известный как способ конвективного теплообмена.
Однако в газовой турбине 1 многосекционного типа камеры 3А и 3В сгорания установлены таким образом, что головные части 9А и 9В располагаются на расстоянии друг от друга. При такой конструкции угол пересечения каждого из каналов 13А и 13В для воздуха для горения с центральной осью 27 пламяпередающего патрубка 20 составляет немного меньше, чем 90 градусов. Поэтому внутренний патрубок 21 пламяпередающего патрубка 20 является препятствием для воздуха 7 для горения, и при изменении направления потока воздуха 7 для горения формируется поток в направлении удаления от пламяпередающего патрубка 20, затрудняющий приток воздуха 7 для горения в пространство 26 во внешнем патрубке 22. Кроме того, формирование окон кольцеобразной формы между разделительной стенкой 23 (между внутренним патрубком 21) и внешним патрубком 22, как и в газовой турбине, известной из уровня техники, которая показана на фиг. 3 и 4, приводит к облегчению прохождения воздуха 7 для горения с распределением в пространство 26 во внешнем патрубке 22. В этом случае скорость потока поблизости от разделительной стенки 23 внутреннего патрубка 21 пламяпередающего патрубка 20 становится низкой, и поэтому количество рассеиваемого тепла за счет конвективную теплообмена уменьшается.
Кроме того, в конструкции, известной из уровня техники, которая показана на фиг. 3 и 4, внутренний патрубок 21 пламяпередающего патрубка 20 пересекает каналы 13А и 13В для воздуха для горения. Поэтому на участках внутреннего патрубка 21 пламяпередающего патрубка 20 со стороны вниз по потоку происходит снижение скорости воздуха и уменьшение расхода воздуха. Кроме того, затруднение притока воздуха 7 для горения в пространство 26 во внешнем патрубке 22 пламяпередающего патрубка 20 приводит к возникновению неравномерности в потоке воздуха 7 для горения, притекающего в секцию камеры сгорания, в окружном направлении.
Поэтому камера сгорания газовой турбины в первом варианте осуществления настоящего изобретения, показанная на фиг. 1 и 2, снабжена окнами 31 и 32 и включает в себя направляющие пластины 33. В частности, окна 31 и 32 располагаются на участках соединения внешнего патрубка 22 пламяпередающего патрубка 20 и внешних окружных разделительных стенок 14А и 14В каналов 13А и 13В для воздуха для горения между собой, то есть между внутренним патрубком 21 и внешним патрубком 22 внешних окружных разделительных стенок 14А и 14В каналов 13А и 13В для воздуха для горения, сообщающихся с внешним патрубком 22 пламяпередающего патрубка 20. Окна 31 и 32 обеспечивают возможность прохождения воздуха для горения на участках внутреннего патрубка 21 со стороны вверх по потоку и со стороны вниз по потоку относительно потока воздуха 7 для горения. Направляющие пластины 33 соединены с разделительной стенкой 23 внутреннего патрубка 21 в положениях поблизости от окна 31 на участках внутреннего патрубка 21 пламяпередающего патрубка 20 со стороны вверх по потоку и установлены с наклоном в сторону вверх по потоку воздуха 7 для горения, обеспечивающим направление воздуха 7 для горения внутрь внешнего патрубка 22.
Такая конструкция, в которой окна 31 и 32 располагаются, как указано выше, на участках соединения внешнего патрубка 22 пламяпередающего патрубка 20 и внешних окружных разделительных стенок 14А и 14В каналов 13А и 13В для воздуха для горения между собой, обеспечивает облегчение притока воздуха 7 для горения в пространство 26 внутри внешнего патрубка 22. Кроме того, эта конструкция обеспечивает также облегчение прохождения воздуха 7 для горения, прошедшего внутрь внешнего патрубка 22 пламяпередающего патрубка 20, вдоль внешней поверхности внутреннего патрубка 21 пламяпередающего патрубка 20.
Ниже рассмотрим процесс прохождения воздуха 7 для горения в камере сгорания газовой турбины согласно первому варианту осуществления.
Как указано выше, внутренний патрубок 21 пламяпередающего патрубка 20 является препятствием для воздуха 7 для горения, проходящего через каналы 13А и 13В для воздуха для горения. Поэтому в каналах 13А и 13В для воздуха для горения на участках внутреннего патрубка 21 со стороны вверх по потоку давление повышается, а на участках внутреннего патрубка 21 со стороны вниз по потоку давление понижается. Окно 31, располагающееся на участке внутреннего патрубка 21 со стороны вверх по потоку, где давление является высоким, обеспечивает прохождение воздуха 7 для горения из канала 13А для воздуха для горения в пространство 26 внутри внешнего патрубка 22, а окно 32, располагающееся на участке внутреннего патрубка 21 со стороны вниз по потоку, где давление является низким, облегчает выход воздуха 7 для горения внутри внешнего патрубка 22 через это окно 32 в канал 13В для воздуха для горения. Кроме того, направляющая пластина 33, установленная на участке внутреннего патрубка 21 со стороны вверх по потоку с наклоном в сторону вверх по потоку воздуха 7 для горения, облегчает приток воздуха 7 для горения из канала 13А для воздуха для горения внутрь внешнего патрубка 22.
В конструкции пламяпередающего патрубка 20 согласно первому варианту осуществления воздух 7 для горения входит в пространство внутри внешнего патрубка 22 через окно 31, располагающееся на участке внутреннего патрубка 21 пламяпередающего патрубка 20 со стороны вверх по потоку, и выходит через окно 32, располагающееся на участке со стороны вниз по потоку. При этом расположение окон 31 и 32 поблизости от внутреннего патрубка 21 обеспечивает прохождение воздуха 7 для горения, прошедшего в пространство 26 внутри внешнего патрубка 22, вдоль внешней поверхности внутреннего патрубка 21.
Как указано выше, ограничение окон 31 и 32 по сравнению с конструкцией, известной из уровня техники, приводит к повышению скорости потока на внешней поверхности внутреннего патрубка 21 пламяпередающего патрубка 20, что обеспечивает активизацию конвективного теплообмена и ускорение охлаждения разделительной стенки 23, образующей внутренний патрубок 21 пламяпередающего патрубка 20, и в результате - предотвращение тепловой деформации и прогорания внутреннего патрубка 21.
Кроме того, воздух 7 для горения, прошедший в пространство 26 внутреннего внешнего патрубка 22, проходит через окно 32 в канал 13В для воздуха для горения на участок внутреннего патрубка 21 со стороны вниз по потоку, что приводит к повышению скорости потока воздуха 7 для горения на участке поблизости от окна 32, располагающегося на участке внутренний патрубка 21 пламяпередающего патрубка 20 со стороны вниз по потоку, и обеспечивает подавление неравномерности потока воздуха 7 для горения на участке внутреннего патрубка 21 вниз потоку. Подавление неравномерности потока обеспечивает возможность сгорания равномерной смеси топлива 15 и воздуха в внутри секций 11А и 11В камеры сгорания и уменьшение выбросов оксидов азота и несгоревших углеводородов, таких как моноксид углерода, образующихся при сгорании неравномерной смеси.
В первом варианте осуществления на виде пламяпередающего патрубка 20, показанного на фиг. 1, в осевом направлении (снизу вверх на фиг. 1), как показано на фиг. 2, в предпочтительном варианте ширина (H1) направляющей пластины 33 в направлении высоты равна или несколько меньше, чем ширина (Н2) внутреннего патрубка 21 в направлении высоты. Это объясняется тем, что увеличение ширины (H1) направляющей пластины 33 в направлении высоты приводит к увеличению притока воздуха 7 для горения в пространство 26 внутри внешнего патрубка 22 и появлению дополнительного препятствия для потока и вызывает падение давления воздуха 7 для горения, а уменьшение ширины (H1) направляющей пластины 33 в направлении высоты по сравнению с шириной (Н2) внутреннего патрубка 21 в направлении высоты, как в первом варианте осуществления, позволяет подавить падение давления до уровня, эквивалентного падению давления, обусловленному внутренним патрубком 21, и уменьшить падение давления за счет направляющих платин 33. Кроме того, к уменьшению падения давления может приводить и прохождение части воздуха 7 для горения в пространстве 26 внутри внешнего патрубка 22.
В первом варианте осуществления, как указано выше, в результате принудительного притока воздуха 7 для горения внутрь внешнего патрубка 22 пламяпередающего патрубка 20 и прохождения воздуха 7 для горения вокруг внутреннего патрубка 21 обеспечивается возможность охлаждения внутреннего патрубка 21 за счет конвективного теплообмена и подавления неравномерности потока в каналах 13А и 13В для воздуха для горения.
Кроме того, в первом варианте осуществления, как указано выше, на участках соединения внешнего патрубка 22 и каналов 13А и 13В для воздуха для горения между собой на участках внутреннего патрубка 21 со стороны вверх по потоку воздуха 7 для горения и со стороны вниз по потоку воздуха 7 для горения располагаются окна 31 и 32, через которые осуществляется приток воздуха 7 для горения.
При такой конструкции внутренний патрубок 21 служит препятствием для воздуха 7 для горения, проходящего через каналы 13А и 13В для воздуха для горения, и в каналах 13А и 13В для воздуха для горения на участках внутреннего патрубка 21 со стороны вверх по потоку давление повышается, а на участках внутреннего патрубка 21 со стороны вниз по потоку - снижается. Окна 31 и 32, через которые проходит воздух 7 для горения, на участках внутреннего патрубка 21 со стороны вверх по потоку и со стороны вниз по потоку при наличии внутреннего патрубка 21, служащего препятствием, облегчают прохождение воздуха 7 для горения внутрь внешнего патрубка 22. То есть на участках внутреннего патрубка 21 со стороны вверх по потоку за счет высокого давления облегчается прохождение воздуха 7 для горения внутрь внешнего патрубка 22, а на участке внутреннего патрубка 21 со стороны вниз по потоку за счет низкого давления облегчается выпуск воздуха 7 для горения внутри внешнего патрубка 22 из этого патрубка. Кроме того, направляющие пластины 33, установленные на участках внутреннего патрубка 21 со стороны вверх по потоку с наклоном в сторону вверх по потоку воздуха 7 для горения, облегчают приток воздуха 7 для горения из каналов 13А и 13В для воздуха для горения внутрь внешнего патрубка 22.
Поэтому в пламяпередающем патрубке 20, используемом в камере сгорания газовой турбины согласно первому варианту осуществления, воздух 7 для горения проходит внутрь внешнего патрубка 22 через окно 31, располагающееся на участке внутреннего патрубка 21 со стороны вверх потоку, а выпускается из окна 32, располагающееся на участке внутреннего патрубка 21 со стороны вниз по потоку. При этом окна 31 и 32, ограниченные участками поблизости от внутреннего патрубка 21, обеспечивают возможность прохождения воздуха 7 для горения, прошедшего внутрь внешнего патрубка 22, вдоль внешней поверхности внутреннего патрубка 21 и, таким образом, возможность рассеяния тепла от внутреннего патрубка 21 в направлении воздуха 7 для горения за счет конвективного теплообмена и возможность охлаждения внутреннего патрубка 21.
В конструкции, известной из уровня техники, в отличие от первого варианта осуществления окно не ограничивается участками соединения внешнего патрубка 22 и каналов 13А и 13В для воздуха для горения между собой. Поэтому в случае широкого окна воздух 7 для горения проходит внутрь внешнего патрубка 22 с распределением по пространству, и скорость воздуха 7 для горения, проходящего вдоль внешней поверхности внутреннего патрубка 21, снижается. При этом низкая скорость воздуха 7 для горения, проходящего вдоль внешней поверхности внутреннего патрубка 21, приводит к уменьшению рассеяния тепла за счет конвективного теплообмена и к повышению температуры внутреннего патрубка 21.
В то же время в первом варианте осуществления направляющие пластины 33 установлены поблизости от окна 31 на участке впуска с наклоном в сторону вверх по потоку воздуха 7 для горения, что облегчает прохождение воздуха 7 для горения внутрь внешнего патрубка 22. Ограничение окон 31 и 32 на впуске и выпуске участками поблизости от внутреннего патрубка 21 обеспечивает повышение скорости потока воздуха 7 для горения, проходящего вдоль внешней поверхности внутреннего патрубка 21, по сравнению со скоростью потока в конструкции, известной из уровня техники, и, таким образом, приводит к ускорению охлаждения за счет конвективного теплообмена в состоянии принудительной вентиляции, что позволяет предотвратить тепловую деформацию и прогорание внутреннего патрубка 21.
Кроме того, возврат воздуха 7 для горения, прошедшего внутрь внешнего патрубка 22, на участке внутреннего патрубка 21 со стороны вниз по потоку в канал 13В для воздуха для горения приводит к повышению скорости потока воздуха 7 для горения на участках внутреннего патрубка 21 со стороны вниз по потоку, в результате чего внутренний патрубок становится сопротивлением потоку воздуха 7 для горения и скорость потока должна снижаться. Однако подача воздуха 7 для горения на участках внутреннего патрубка 21 со стороны вниз по потоку через внешний патрубок 22 позволяет подавить снижение скорости потока и обеспечивает возможность сгорания равномерной смеси топлива 15 и воздуха в секциях 11А и 11В камеры сгорания и уменьшения выбросов оксидов азота и несгоревших углеводородов, таких как моноксид углерода, образующихся при сгорании неравномерной смеси.
Конструкция камеры сгорания согласно первому варианту осуществления позволяет обеспечить охлаждение пламяпередающего патрубка во время воспламенения в камере сгорания газовой турбины без снижения температуры отработавших газов сгорания, проходящих через пламяпередающий патрубок, и предотвратить тепловую деформацию и прогорание пламяпередающего патрубка. Кроме того, конструкция камеры сгорания согласно первому варианту осуществления позволяет подавить неравномерность воздуха для горения, возникающую на участках внутреннего патрубка пламяпередающего патрубка со стороны вниз по потоку, и уменьшить выбросы оксидов азота и несгоревших углеводородов, таких как моноксид углерода, из газовой турбины. Второй вариант осуществления
На фиг. 5 представлена газовая турбина, включающая в себя камеру сгорания газовой турбины согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
Камера сгорания газовой турбины в первом варианте осуществления, показанная на фиг. 1 и 2, включает в; себя направляющие пластины 33, установленные поблизости от окна 31 с наклоном в сторону вверх по потоку воздуха 7 для горения. Камера сгорания газовой турбины во втором варианте осуществления включает в себя направляющие пластины 34. Как показано на фиг.5, направляющие пластины 34 установлены поблизости от окна 31 и соединены с разделительными стенками (лейнерами) 12А и 12В, которые разделяют каналы 13А и 13В для воздуха для горения и соответствующие секции 11А и 11В камеры сгорания между собой. Направляющие пластины 34 установлены с наклоном в сторону вниз по потоку воздуха 7 для горения внутри каналов13А и 13В для воздуха для горения. Во всем остальном камера сгорания газовой турбины согласно второму варианту осуществления имеет конструкцию, совпадающую с конструкцией камеры сгорания газовой турбины согласно первому варианту осуществления.
Конструкция камеры сгорания согласно второму варианту осуществления, как указано выше, позволяет достичь технических эффектов, аналогичных техническим эффектам, достигаемым в первом варианте осуществления. При этом в случае второго варианта осуществления для обеспечения принудительного направления потока в сторону внешней окружной поверхности внутреннего патрубка 21 и облегчения прохождения этого потока в окно 31 предпочтительным является размещение направляющих пластин 34 в положениях на расстоянии от внутреннего патрубка 21.
Третий вариант осуществления
На фиг. 6 представлена камера сгорания газовой турбины в газовой турбине, которая включает в себя камеру сгорания газовой турбины согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.
В дополнение к элементам первого варианта осуществления камера сгорания газовой турбины согласно третьему варианту осуществления включает в себя дроссельный элемент 40, установленный на центральном участке внешнего патрубка 22 в осевом направлении, обеспечивающий сужение пространства 26 между внешним патрубком 22 и внутренним патрубком 21. Дроссельный элемент 40 сформирован в виде цилиндрического блока. При этом дроссельный элемент 40 в конструкции согласно третьему варианту осуществления может быть включен в состав конструкции согласно второму варианту осуществления.
Понятно, что конструкция камеры сгорания согласно третьему варианту осуществления, как указано выше, позволяет достичь технических эффектов, аналогичных техническим эффектам, достигаемым в первом варианте осуществления. Кроме того, дроссельный элемент 40 обеспечивает сужение пространства между внутренним патрубком 21 и внешним патрубком 22 и, таким образом, служит сопротивлением потоку воздуха 7 для горения, затрудняющим прохождение воздуха 7 для горения между каналами 13А и 13В для воздуха для горения.
Использование в первом и втором вариантах осуществления, описанных выше, конструкции, облегчающей прохождение воздуха 7 для горения в пространство 26 внутри внешнего патрубка 22, облегчает по сравнению с конструкцией, известной из уровня техники, и прохождение воздуха 7 для горения через внешний патрубок 22 в другую камеру сгорания. При прохождении воздуха 7 для горения в другую камеру сгорания количество воздуха в исходной камере сгорания относительно топлива 15 становится недостаточным, а в камере назначения количества воздуха относительно количества топлива 15 увеличивается. То есть соотношение между содержанием топлива 15 и содержанием воздуха меняется при переходе от одной камеры сгорания к другой. Как указано выше, в предпочтительном варианте в камерах 3А и 3В сгорания газовой турбины 1 обеспечивается равномерное смешивание топлива 15 и воздуха для горения между собой. В то же время повышение содержания топлива 15 приводит к повышению температуры горения в камерах 3А и 3В сгорания и увеличению выбросов оксидов азота. И напротив, повышение содержания воздуха приводит к снижению температуры горения в камерах 3А и 3В сгорания и образованию несгоревших углеводородов, таких как моноксид углерода.
Дроссельный элемент 40 в третьем варианте осуществления затрудняет прохождение воздуха 7 для горения на участках между каналами 13А и 13В для воздуха для горения. Поэтому воздух 7 для горения проходит через окно 31 на участке со стороны вверх по потоку в пространство 26 внутри внешнего патрубка 22, и прошедший внутрь внешнего патрубка 22 воздух 7 для горения выходит в каналы 13А и 13В для воздуха для горения через окно 32 на участке со стороны вниз по потоку. То есть воздух 7 для горения образует поток, направление которого указано стрелками 41А и 41В. С помощью дроссельного элемента 40 поток воздуха 7 для горения, проходящий вдоль поверхности внутреннего патрубка 21, изменяет направление своего прохождения на противоположное с помощью и образует циркуляционный поток со стороны каждого из окон 31 и 32. Циркуляция воздуха в пространстве 26 внутри внешнего патрубка 22 активизирует конвективный теплообмен и, таким образом, ускоряет охлаждение внутреннего патрубка 21.
Следует отметить, что настоящее изобретение не ограничивается описанными выше вариантами осуществления и может включать в себя различные модификации. Например, вся конструкция полностью согласно рассмотренным выше вариантам осуществления, подробное описание которых приведено с целью лучшего понимания настоящего изобретения, не обязательно является необходимой для реализации настоящего изобретения. Часть конструкции одного варианта осуществления может быть заменена конструкцией другого варианта осуществления, или конструкция одного варианта осуществления может быть объединена с конструкцией другого варианта осуществления. Конструкция каждого варианта осуществления может дополнительно включать в себя другую конструкцию, или часть конструкции может быть удалена или заменена другой конструкцией.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1 - газовая турбина;
2 - компрессор;
3А, 3В - камера сгорания;
4 - турбина;
5 - генератор мощности;
6 - приводной вал;
7 - воздух для горения;
8, 16 - отработавший газ сгорания;
9А, 9В - головная часть камеры сгорания;
10А, 10В - хвостовая часть камеры сгорания;
11А, 11В - секция камеры сгорания;
12А, 12В - разделительная стенка (лейнер);
13А, 13В- канал для воздуха для горения;
14А, 14В - внешняя окружная разделительная стенка канала для воздуха для горения;
15 - топливо;
17 - воспламенительное устройство;
20 - пламяпередающий патрубок;
21 - внутренний патрубок пламяпередающего патрубка;
22 - внешний патрубок пламяпередающего патрубка;
23 - разделительная стенка внутреннего патрубка;
24 - отверстие для воздуха;
25 - пространство внутри внутреннего патрубка;
26 - пространство между внутренним патрубком и внешним патрубком;
27 - центральная ось пламяпередающего патрубка;
31, 32 - окно;
33, 34 - направляющая пластина;
40 - дроссельный элемент;
41А, 41В - стрелка, указывающая направление потока.