CZ34995A3 - Method of cooling self-igniting combustion chamber - Google Patents

Description

Vynález se týká způsobu.chlazení samozápalné spalovací koBiory plynové turboskupiny, která v.podstatě sestává z pří tokové oblasti a ze spalovací oblasti, přičemž do spalovací komory proudí, pracovní plyn o vysoké teplotě a přimícháváním paliva se vybavuje saraovznícení směsi.

Dosavadní stav„techniky

U spalovacích komor, které se až dosud používají v konstrukci plynových turbin, je možné pro zabránění vysokých materiálových teplot využít téměř celý proud stlačeného vzduchu. Jen. zlomek tohoto proudu stlačeného vzduchu přichází do spalovací komory, aniž by předtím nebyl využit pro chlazení,

U tohoto způsobu chlazení spočívá optimalizace chlazení v tom, že se pracuje s pokud možno malými tlakovými ztrátami v průběhu dráhy chlazeníaby nedošlo ke snížení účinnosti plynové turbiny,

Vá rozdíl od toho u samozápalné spalovací komory, která s výhodou pracuje ve směru proudění za první turbinou, není.

iihLŽn.é^j.eJ..í_s.p.a.l.i.ny_v-Z.h-l.e.de-m_k—v-y-£-ok-ý-m—tep-l-o-t-á;n—ρτ-ί-ΓΌ-ζ-β'πέ-využít pro účely chlazení. Mimoto je taková spalovací komora již v přítokové oblasti kaloricky značně zatížena, takže chlazení musí být již tam dostatečně účinné. Totéž platí také, a to ve zvětšené míře, pro navazující spalovací oblast, kde dochází ještě k vyššímu tepelnému zatížení, Z tohoto hlediska by musel být pro chlazení takové samozápalné spalovací komory odebírán z procesu velký proud vzduchu o níz- 2 ke teplotě.'Přitom ie ^rtreoá~bjřH⁼Zi'c:' t 1 - u í

1/ H O'IV14 V \J v*-j v--· W-J · že skupiny plynových turbin současné vysokovýkonné třídy mohou zpravidla uvolnit jen málo vzduchu- pro úcelv chlazení, protože by se tím výrazně snížila účinnost a specifický výkon. Proto jsou známé opětovné návrhy, ktere navrhují chlazení kaloricky vysoce zatížených agregátů jinými prostředími zvnějšku.- V popředí je dnes návrh provádět chlazení prostřednictvím páry. Pokud je skupina plynových turbin upravena v kombinovaném zařízení s integrovaným parním obvodesj, stojí takové návrhy jistě za přezkoušení. Pokud však není ·' k'· ďis p o z i c i^{: :}ž á d n á — pa r a-· b ebo·.-·“j-i-ň á7~p-rn~ ch la z e/n.í: Adi.o.dnú.^ m éďí á_»., lze uskutečnit chlazení samozápalné spalovací komory jen při ztrátách účinnosti.

Pod sta tavynálezu

Vynález si klade za úkol vytvořit pomoc v uvedenem směru. Úkolem vynálezu je, tak jak je to uvedeno v nárocích., zajistit u způsobu v úvodu uvedeného druhu účinné chlazení s minimalizovaným vnitřním proudem vzduchu.

Podstatné výhody způsobu podle vynálezu spočívají v tom“, že je možné provádět chlazení spalovací komory s minimalizovanými ztrátami z hlediska účinnosti- a specií ického výkonu skupiny plynových turbin. Způsob chlazen se přizpůsobí odpovídajícím charakteristikám spalování uvnitř spalovací komory a provádí se tak, že nasazený proud chladicího vzduchu se po ukončení táto práce vhodným způsobem stává součástí horkých plynů této spalovací komory.

Pokud sestává samozápalné spalovací komora z přítokospalovocí oblasti, zvolí se pro první z nich vé oblasti a ze o

— -e-lú-z-ní·-chl-a-ze-n-i- -;i~-p-ro—ďruhOtr z—nlch^kOnve-kčrtí“' clil ázen í. “Ab'y se zajistilo ve spalovací.oblasti požalované, na škodliviny chudé spalování předem smíchané směsi, není potřeba úpravoa sr vat žádné chladicí techniky, které spočívají na kontrolovaném přívodu vzduchu do této oblasti, například chlazení prostřednictvím. f i l;úu.

Efúzn.í chlazení spočívá v tóra, že se . ve stěně hořáku upraví těsně vedle sebe řazené otvory, prostřednictvím kterých se přiváděný chladicí vzduch dostává dovnitř spalovací komory a tak chladí stěnu spalovací komory. Na vnitřní straně spalovací komory vytváří tento chladicí vzduch potom tenko ú tepelnou izolační vrstvu, která snižuje tepelné zatížení sten a která zajištuje vysokoplošné přivádění chladicího vzduchu do hlavního proudu vzduchu s dobrou účinností směšování. *avíc zabezpečuje toto efúzní chlazení, že fronta plamene se nemůže přemístit ze spalovací oblasti ve směru proti proudění, což by se -jinak mohlo snadno stát, protože rychlost proudění spalovacího vzduchu, zejména v mezních stěnových vrstvách přítokové oblasti ,· má - min imální hodnoty a tak se vytváří potenciální nebezpečí zpětného výtoku přede rn smíchaného plamene ze spalovací oblasti.

konvekční chlazeni, kterého se- využívá pro spalovací oblast, je vytvořeno například na principu protilehlého ρτ'0'UÍl'ě'ň'í^-; píTčemz je samozřejmě talie m o zňe u p r a vit s t o j n o směrné proudění nebo kombinaci obou těchto proudění. Charakteristické pro toto chlazení je jeho vytvoření, kdy na obvodu vnější stěny spalovací komory vznikají v podélném směru spalovací .'..oblasti těsně na sobě upravené průtokové dráhy ,·'je jichž radiální hloubka odpovídá výšce chladicího kanálu, což vytváří zvláště účinné chlazení tepelně vysoce zatížené stehy špaTnvací konidřy.'' -^:—.....

Při konvekením chlazení spalovací oblasti na principu protilehlého proudění lze tento chladicí vzduch z hlediska proudění optimálně převádět do předřazeného prostoru přítokové oblasti, odkud lze nasadit výše popsané efú2ní chlazrd. ' _t ϋ takto chlazené samozápalné spalovací komory lze snížit poměr potřebného chladicího vzduchu k proudu vzduchu,

- kt e'řýpr oud i skrz s pa-i ová-e i .komortí, -a ž hn a ,'h‘o dn otu :',pod.,. :10“%.;i aniž by vznikalo nebezpečí, že dojde k velkemií mechanickému namáhání sten spalovací komory na podkladě tlakových ztrát podél ochlazovaných drah.

Výhodná a účelná další vytvoření řešení úkolu podle vynálezu jsou uvedena v dalších závislých patentových nárocích.

Fř e h 1 e d _ o b r á z 5ς u n a _ y ý k r e s e vynález provedení ve které nejsou je v dalším podrobněji vysvětlen na příkladu spojení s výkresovou částí. Všechny elementy, nutní·: potřebná pro porozumění vynálezu, jsou vypuštěny. Směr proudění médií je vyznačen šipkami.

Jediný obrázek znázorňuje chlazenou spalovací komoru/ která je provedena jako následná spalovací komora plynové turboskupiny, přičemž spalování je samozápalné.

príklad proveden£_yynálezu ka obrázku ie znázorněna spalovací komora, která tvoo řř“n:a'příkTaď“ďruho'H '^snalO vacr^konrůru“ plynové tůřboskúpiný a která pracuje na principu sumozupalování. l'ato spalovací komora má s výhodou v podstatě tvar souvislého, prstencového, axiálního nebo téměř axiálního válce, což vyplývá ze zakreslené· střední osy 14, a je v podstatě složena z přítokové oblasti 1. a. z na ni navazující spalovací oblasti 2. lato spalovací komora může také samozřejmě sestávat z více axiálně, téměř axiálně nebo šroubovité uspořádaných uzavřených. spalovacích prostorů.. Pokud je spalovací komora žaloI žena na samozapalování, je ve směru proudění napřed upravená a neznázorněná turbina vytvořena jen pro dílčí expanzi pracovních plynů 8, takže tyto mají ještě dosti vysokou teplotu. U takového způsobu provozu a u prstencového vytvoření spalovací komory jsou v obvodovém směru spalovací komoru vytvářejícího prstencového válce upraveny palivové trysky G, / ·. i * V J ktere jsou z hlediska přívodu paliva například spojeny neznázorněným prstencovým potrubím.

Tato spalovací komora nemá žádný hořák. Prostřednictvím palivových trysek 6 do pracovních plynů 8 vstřikované palivo· vyvolává samozapálení, pokud mají pracovní plyny 8 tu specifickou teplotu, která může vybavit samozapálení. Pokud je spalovací komora provozována s plynným palivem, je možné považovat za typickou hodnotu pro samovznícení- teplotu praf.nvnífh nlvnn . vu

------------ _r , j ř Ll p Ll j í C í C ll f 11 T< h -i »n ío w j u i i f y , ‘kůlem Γ0ΌΌ^-°~C7 76y se u takové s.amozápalné spalovací komory zabezpečila provozní spolehlivost a vysoká účinnost, je důležité, aby fronta 13 plamene zůstávala stabilně v průběhu celého provozu na jednom místě, k tomu účelu jsou jednak ve směru proti proudění palivových trysek 6 uvnitř a v obvodovém směru vnitřní stěny 3 přítokové oblasti _1 upraveny v řadě vířivé elementy 7, které vyvolávají v oblasti fronty I3 pláreen^ob' llši^ž p ě'tně'fio^-přóu'd ě jvíT^řii rn o t o ⁼j e“v^rauŤá· > n í~‘ ro =·=*= vině vzhledem ke frontě 13 plamene souměrně vzhledem k průřezu přítokové oblasti 1 upraven průřezový přechod 15, jehož velikost současně vytváří průtokový průřez spalovací oblasti 2. Uvnitř tohoto průřezového přechodu 15 se vytvářejí v průběhu provozu oblasti vratného prouděí, které také vedou k prstencové stabilizaci fronty 15 plamene. Protože se u takové spalovací komory na podklade axiálního uspořádání a velmi krátké konstrukční délky jedná o vysokorych...........1.o.s.t.ní s.pa„lovací komoru, jejíž středuí rychlost má hodnotu = ' ' 'vutsí htěž 0Ό· m/sj utusejí'--být vírtvé--edemeh?tý-é7-.--koňf-órmn-í'--„.

z hlediska prouděn?!. Protože je kalorické zatížení této spa-® lovací komory značně vysoké, musí být chlazení velmi účinné,& Přitom je třeba, jak již bylo uvedeno, brát zřetel na tu skutečnost, že plynové turboskupiny s vysokým stupněm výkof nu mohou zpravidla pro účely chlazeni uvolnit jen velmi málo vzduchu, pokud se nemá. výrazné snížit jejich účinnost a .. specifický výkon.

Chlazení této spalovací komory se uskutečňuje tak, že mezi přítokovou oblastí a mezi spalovací oblasti 2 se provádějí různé druhy chlazení', Nejprve 'se uskuteční dílcizení spalovací oblasti 2 na principu protilehlého proudění. Určité množství chladicího vzduchu 1_θ proudí podél kanálu 18 chladicího vzduchu 10, Který je tvořen vnitřní stěnou 5 a vnější stěnou -í spalovací oblasti 2, a to ve směru přítokové oblasti JL a konvekčně ochlazuje kaloricky vysoce zatíženou vnitřní stěnu o této oblasti. Optimalizace chlazení ve spalovací oblasti 2 vím odpovídajícího přizpůsobení

V*' se uskutečňuje prostřednictvýéky kanálu 1S chladicího vzduchu 10, a to'prostřednictvím dané povrchové drsnosti chlazené vnitřní stěny 5 různým rýhováním nebo žebrová7 ním podél chlazené dráhy, přičemž již zmíněná možnost, upravit v obvodovém směru vnitřní stěny 5 axiální průtokové dráhy, přináší dobré výsledky, Konvekčni chlazení pro spalovací oblast 2 lze připadne také doplnit nárazovým chlazením, přičemž v této souvislosti je třeba dbát na to, aby tlak chla dicího vzduchu 10 příliš nepoklesl.

„ Po uskutečněném prvním chlazení proudí kaloricky jen částečně zatížený chladicí vzduch 11 do mezilehlého prostoru 17, který je upraven axiálně rovnoběžně s přítokovou oblastí 1_ a který je tvořen vnitřní stěnou 3 přítokové oblasti _1 a již zmíněnou vnější Stěnou 4.. Tento chladicí vzduch 11 má v důsledku toho stále ještě velký chladicí potenciál, · takže přítoková oblast .1, která je ve srovnání se spalovací oblastí 2 kaloricky jen nepatrně zatížena, může být také optimálně chlazena. Chlazení přítokové oblasti 1. se uskutečňuje tak, že velká část uvedeného proudu chladicího vzduchu .11 proudí prostřednictvím velkého počtu otvorů 16 ve vnitřní stěně 3 dovnitř přítokové oblasti 1. iiu.Iá část proudu chladicího vzduchu 11 proudí prostřednictvím dalších otvor ú 19 v radiálηí s těn<

2Ů přímo do průřezového přechodu 15, kde. se vytváří prstencová stabilizace a slouží tam podle potřeby jak chlazení, tak i zesílení. Uvedené otvory 16, které jsou rozděleny v axiálním směru a v obvodovém směru přítokové.oblasti 1., za sáhují tak, integrálně do celé přítokové_ oblasti 1 a způsobují, že lze vnitřní stěnu 3 chladit jen s menší spotřebou vzduchu, iii-mbto vytváří tento chladicí vzduch 12 na vnitřní straně přítokové oblasti tedy podél vnitřní stěny 3, tenkou tepelnou izolační .podstatně snižuje tepelné zatížení této vnitřzabezpeČLijc vysokoplošné přivádění vzduchu pro í do hlavního proudění pracovních plynů 3 s dobvnitřních čar vrstvu, která ní stěny 3 a účely chlazen r ým~pr^: o ιιί í c h a v á π í u · ~ F r o s t r e d n i c t v i tn ~ L e t o i z o i a c n r vr s t v y ~ š č’'” dále zajistí, že požadovaný plamen předběžné směsi se nepohybuje v mezní vrstvo proudění na stěně proti směru proudění až do místa vstřikování paliva, kde by potom difuzně hořel. Tím .je velmi účinně podporován koncept spalcvací komory se samozápalným, na škodlivé látky chudým spalováním.

Protože převážná část počátečního chladicího vzduchu 10 se proti proudění fronty 13 plamene přivádí s relativně vysokou teplotou do proudu pracovních plynů 8, participuje ^sve' s te jné^mí ř & ···ve- spal-ovač'í-Ob-1 ástr^2-na••MÍpř.ův-e^ d-o---:hork-ý-ch^: > plynů 9, čímž se zabrání teplotním nerovnoměrnostem, které by mohly, a to zejména v provozu s .částečným zatížením, zpochybňovat samozapalování. Malý podíl chladicího vzduchu 12, který se zavádí do průřezového přechodu 15, nevytváří žádné nehomogenosti a na rozdíl od toho podporuje tento c.hla· dici vzduch 12 v dané· oblasti konvekční chlaze’ spa1 ovací oblasti 3, '•které je tam vzhledem k vychýlení proudění, jakož i rozšíření průřezu mezí kanálem 1S chladicího vzduchu _lů a mezi mezilehlým prostorem 17 zvláště zeslabeno. U takto chlazené s.amozápalné spalovací, komory může být poměr celkově potřebného chladicího’ vzduchu 10' vzhledem k -proudu ^: pro- ' covní.ho plynu S, ktc-rý proudí spalovací komorou, snížen až na hodnotu pod 10 %, aniž by se vytvořila mechanická zatížení vnitřních stěn _3 a 5 na podklade tlakové ztráty v kanálu 18 chladicího vzduchu, která by bylo třeba brát v úvahu. Aby se snížilo kalorická zatížení vířivých elementů 7, je výhodné, aby byly vytvořeny duté, tedy aby tvořily prodloužení vnitřní stěny 3 přítokové oblasti _1, jak je to z obrázku patrno jako varianta. Vyklenutí, které na straně proudění vytváří vířivé elementy, je také pravidelně opatřeno otvorv 16, skrz které proudí clil adicí vzduch 11 dovnitř

I, přítokové ob 1 a'š13 _! >i fcřítil Luke vytváří. efúzní chladicí účinek. Otvory· 1Ό ve vnitřní stěně J, kterými proudí chladicí vzduch 1.1 do pří toky v-3 oblastí 2.» jsou při daných poměrech proudění upraveny šikmo ve směru proudění, aby již'zmíněné vytváření filmu chladicího vzduchu na vnitřních čarách rádlo větší--ul-p-ívání.· Šikmá poloha otvorů 16 se přitom··řídí silou odlučování filmu chladicího vzduchu, což je závislé na podmínkách proudění. '

Claims (13)

1. Ι. Způsob chlazení samozápalné spalovací komory plynové fcurboskupiny, která v podstatě sestává z přítoková oblasti a ze spalovací oblasti, přičemž do spalovací komory proudí pracovní plyn. o vysoká teplotě a přimícháváním paliva se vybavuje vyznačující, se tím, ; malovací samovznícení směsi že přítoková oblast se c.hladí efúzním chlazením a oblast se chladí konvekčním chlazením.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se t í m , že nejprve se chladí spalovací oblast na principu protilehlého proudění a potom se tentýž chladicí vzduch použije pro efúzní chlazení přítokové oblosti.
3. 3, Způsob podle nároku 1, v v z n a c u j c í se t í m , že přimíchávání paliva k pracovním plynům se provádí v přítokové oblasti, že na přechodu mezí přítokovou oblastí a mezi spalovací oblastí sc vytváří, fronta plamene, a že .fronta plamene se stabilizuje průřezovým přechodem spalovací oblas- ci ' v'^z--led _f>_n. x pvůr ezu·· ρ i^Tok ον ———_~

   1. Způsob podle nároku 1, v y z n a c u j í c í. $ e t ί ι» , že v přítokové oblasti se ve sniěru proudění před vstřikováním paliva vytváří prostřednictvím více vířivých elementů oblast zpětného proudění v oblasti fronty plamene.

   5. Způsob podle nároku .4, v y z n a č u j í c í se t í ra , že vířivé elementy se chladí efúznim chlazením.

   p o už i t ý c h v z t. a h o v ý c h znak ů:

   κ i niM i SVÍ -,μ.^ΑΓ.-.r ..<JÍ

   Ě'

   1 přítoková oblast

   2 spalovací, gbiast

   3 vnitrní stěna (od l) l
4. 4 vnější stěna (od 2)
5. 5 vnitřní stěna (od 2) G palivová tryska .
6. 7 vířivý element S pracovní plyn 9 horký plyn

   CS3CQ chladicí vzduch chladicí vzduch i po konvekční.Á chlazení)
7. 12 chladicí vzduch (pro e.fúzní chlazení)
8. 13 fronta plamene
9. 14 střední osa

   I. δ p r úí e z o v ý p ř e c hod

   J. 6 otvor < v e 3 )
10. 17 mezilehlý prosí-or·
11. 18 kanál chladicího vzduchu
12. 19 otvor (ve 20) * - ...
13. 20 radiální stěna i