EA002319B1

EA002319B1 - Система сгорания газотурбинного двигателя

Info

Publication number: EA002319B1
Application number: EA199900537A
Authority: EA
Inventors: Теодори Исхак Майна
Original assignee: Олстом Гэз Тербайнс Лтд.
Priority date: 1998-07-11
Filing date: 1999-07-12
Publication date: 2002-04-25
Also published as: EA199900537A2; EP0972993A3; US6220015B1; EA199900537A3; EP0972993B1; DE69933092D1; GB9814975D0; DE69933092T2; EP0972993A2; GB2339468B; JP4447077B2; ES2270565T3; JP2000039149A; GB2339468A

Abstract

В изобретении описана система сгорания газотурбинного двигателя, имеющая несколько камер (100) сгорания, соединенных друг с другом сборными поперечными трубами системы зажигания, через которые при запуске двигателя образовавшееся при воспламенении топлива в одной из камер сгорания пламя (110) проходит из этой камеры сгорания в другую камеру сгорания. Каждая сборная поперечная труба имеет устройство (103, 105) для прохода внутрь трубы охлаждающего воздуха, который обеспечивает пленочное охлаждение ее внутренней подверженной воздействию образовавшегося при воспламенении топлива пламени поверхности, и охлаждающую втулку (107), которая охватывает сборную поперечную трубу в том месте, где ее открытый конец сообщается с камерой сгорания, и направляет поток охлаждающего воздуха (109) на внешнюю поверхность сборной трубы и внутрь камеры сгорания.

Description

Настоящее изобретение относится к системам сгорания газотурбинных двигателей и, в частности, к системам сгорания, в которых для упрощения процесса воспламенения топлива камеры сгорания соединены друг с другом поперечными трубами системы зажигания топлива, через которые из одной камеры сгорания в другую проходит образовавшееся при воспламенении топлива в первой камере пламя (в дальнейшем такие трубы называются просто поперечными трубами).

Предпосылки создания изобретения

В обычном промышленном газотурбинном двигателе имеется несколько расположенных параллельно друг другу вокруг двигателя камер сгорания, в которые из компрессорной ступени поступает сжатый воздух, являющийся окислителем для сгорающего в камере сгорания газообразного или жидкого топлива. Обычно газотурбинный двигатель имеет от шести до восьми камер сгорания, которые расположены с равным угловым шагом по окружности вокруг центральной оси двигателя на определенном по радиусу расстоянии от нее. Для того, чтобы не устанавливать в каждой камере сгорания необходимое для запуска двигателя устройство для зажигания топлива, обычно все камеры сгорания соединяют друг с другом поперечными трубами системы зажигания, через которые пламя из камеры сгорания, в которой имеется устройство для зажигания топлива, проходит в другую, соседнюю с ней, но не имеющую такого устройства, камеру сгорания. При эксплуатации таких систем было обнаружено, что под действием потока горячих газов, образующихся при работе двигателя в нормальном (после запуска) режиме, поперечные трубы или сами камеры сгорания часто выходят из строя. Одно из возможных решений этой проблемы описано в ЕР 0503618. Предложенное в этой публикации решение предусматривает подачу в образованный вокруг поперечной трубы канал воздуха, который проходит вокруг внутренней поверхности поперечной трубы рядом с местом ее соединения с камерой сгорания, охлаждает поперечную трубу и увеличивает срок ее службы, не оказывая при этом никакого отрицательного влияния на процесс зажигания топлива при запуске двигателя.

Несмотря на то, что предложенная в этой публикации конструкция существенно отличается в лучшую сторону от других известных в настоящее время конструкций, она тем не менее не исключает возможности перегрева стенки камеры сгорания в том месте, где в нее входит поперечная труба.

В и8 5001896 предложена конструкция сборной, соединяющей соседние камеры сгорания, поперечной трубы с двойной стенкой, у которой наружная стенка выполнена с отверстиями, через которые охлаждающий воздух проходит в пространство между стенками, а внутренняя стенка имеет отверстия, через которые некоторое количество воздуха попадает в протекающий через поперечную трубу поток газа. Наружная стенка трубы вставлена по посадке в кольцевой фланец, который проходит через стенку камеры сгорания и входит внутрь камеры сгорания, а внутренняя стенка трубы выступает за ее соединенную с фланцем наружную стенку. Хотя такая конструкция и обеспечивает более или менее эффективное охлаждение поперечной трубы, она тем не менее не решает проблемы местного перегрева выступающего внутрь камеры сгорания фланца и расположенного вокруг него участка стенки камеры сгорания, а также выступающей за фланец внутренней стенки поперечной трубы. В экстремальных условиях такой местный нагрев может привести к поломке этих элементов конструкции и образованию металлических кусков, которые вместе с потоком газа могут попасть в турбину и вывести ее из строя. Если вероятность поломки турбины по этой причине крайне невелика, то вероятность разрушения камеры сгорания из-за перегрева ее расположенного вокруг фланца поперечной трубы участка стенки достаточно велика.

Задачей настоящего изобретения является решение этих проблем и, как следствие этого, повышение срока службы системы сгорания газотурбинного двигателя.

Краткое описание сущности изобретения

В настоящем изобретении предлагается система сгорания газотурбинного двигателя, соседние камеры сгорания которого соединены сборными поперечными трубами системы зажигания, через которые пламя, образовавшееся в одной из камер сгорания после воспламенения топлива, проходит в другую камеру, в которой каждая сборная поперечная труба имеет входное устройство, через которое внутрь трубы поступает воздух, обеспечивающий пленочное охлаждение внутренней, подверженной воздействию пламени, поверхности сборной поперечной трубы. Такая система отличается тем, что в ней имеется устройство для охлаждения, которое расположено вокруг сборной поперечной трубы в месте ее соединения с камерой сгорания и формирует на внешней поверхности охлаждающей трубы слой охлаждающего воздуха, обеспечивая тем самым пленочное охлаждение как внутренней, так и внешней поверхностей сборной поперечной трубы.

В настоящем изобретении предлагается также система сгорания газотурбинного двигателя, имеющая несколько камер сгорания, сборные поперечные трубы системы зажигания, через которые образующееся при воспламенении топлива пламя проходит из одной камеры сгорания в соседнюю с ней камеру, причем каждая такая сборная поперечная труба имеет концевую трубу, через которую пламя проходит в камеру сгорания и выходит из нее и которая имеет внутреннюю и внешнюю поверхности, и устройство для подвода охлаждающего воздуха в сборную поперечную трубу и пленочного охлаждения внутренней поверхности концевой трубы. Эта система отличается тем, что концевая труба соединена с камерой сгорания через расположенную на стенке и выступающую наружу втулку, которая окружает и перекрывает по длине примыкающий к камере сгорания участок концевой трубы, образуя между своей внутренней поверхностью и внешней поверхностью концевой трубы кольцевой зазор, причем эта втулка имеет входное устройство, через которое в кольцевой зазор попадает охлаждающий воздух, который обеспечивает пленочное охлаждение примыкающей к стенке камеры сгорания внешней поверхности концевой трубы и внутренней поверхности втулки.

Предпочтительно во втулке выполнить отверстия, расположенные по окружности втулки рядом с местом соединения втулки с концевой трубой и предназначенные для прохода воздуха и пленочного воздушного охлаждения внешней поверхности концевой трубы.

Предпочтительно также, чтобы каждая концевая труба не выступала за край втулки и не входила внутрь камеры сгорания. Более предпочтительно, чтобы концевая труба не перекрывала по длине целиком всю втулку и чтобы край концевой трубы не доходил на определенное расстояние до внутренней поверхности стенки камеры сгорания. Оптимальный с точки зрения эффективности охлаждения результат может быть получен, если это расстояние от края концевой трубы до внутренней поверхности стенки камеры сгорания будет приблизительно в два раза больше величины кольцевого зазора между внутренней поверхностью втулки и внешней поверхностью концевой трубы.

Втулка, предпочтительно, не должна входить внутрь камеры сгорания с тем, чтобы выходящий из втулки воздух мог охлаждать расположенную вокруг втулки внутреннюю поверхность стенки камеры сгорания.

Предлагаемую в настоящем изобретении сборную поперечную трубу предпочтительно выполнить по типу предложенной в ЕР 0503018 поперечной трубы системы зажигания, которая проходит между первой и второй камерами сгорания и состоит из центральной трубы и первой и второй концевых труб, выполненных в виде патрубков первой и второй камер сгорания, причем первый конец центральной трубы вварен в первую концевую трубу, второй конец центральной трубы по посадке входит внутрь второй концевой трубы, а охлаждающий воздух поступает в кольцевые зазоры между внешней поверхностью центральной трубы и внутренней поверхностью каждой концевой трубы, обеспечивая пленочное охлаждение концов централь ной трубы и внутренних поверхностей концевых труб.

В настоящем изобретении предлагается также газотурбинный двигатель с такой системой сгорания.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана конструкция известной поперечной трубы системы зажигания, которая изображена на фиг. 2 в ЕР 0503018.

На фиг. 2 схематично в качестве примера показано поперечное сечение одной половины сборной поперечной трубы системы зажигания, предлагаемой в настоящем изобретении.

Предпочтительный вариант выполнения изобретения

На фиг. 1 показано поперечное сечение части системы сгорания газовой турбины, предложенной в ЕР 0503018. Имеющаяся в этой системе сгорания сборная поперечная труба системы зажигания проходит между стенками 11 и 12 двух камер сгорания и состоит из центральной поперечной трубы 16, левый конец которой вварен в концевую трубу 15, выполненную в виде патрубка стенки 11 одной из камер сгорания, а правый конец вставлен по посадке в концевую трубу 17, выполненную в виде патрубка на стенке 12 соседней камеры сгорания. Охлаждающий воздух 18 проходит через отверстия 19 в кольцевые зазоры или каналы 13, образованные между внешними поверхностями концов центральной трубы 16 и внутренними поверхностями выполненных в виде раструба участков 22 концевых труб, и обеспечивает пленочное охлаждение концов 20 центральной трубы 16 и внутренних поверхностей концевых труб 15, 17. Более подробно эта конструкция описана в указанной выше публикации, которая включена в настоящее описание в качестве ссылки.

На фиг. 2 показана половина сборной поперечной трубы системы зажигания, которая расположена на одной из сторон камеры 100 сгорания и проходит от ее стенки 101 к соседней камере сгорания (не показана). Показанную на фиг. 1 поперечную трубу можно рассматривать как собранную из двух вставленных друг в друга частей, расположенных по разные стороны каждой камеры сгорания. На фиг. 2 показана только часть центральной трубы 102; соединение этой центральной трубы с другой камерой сгорания выполняется, по существу, так же, как и в конструкции, описанной в ЕР 0503018.

Центральная труба 102 вварена в выполненный в виде раструба участок 103 концевой трубы 104. Через отверстия 105, расположенные в выполненном в виде раструба участке 103 рядом со сварным швом, внутрь трубы проходит охлаждающий воздух 106. Кольцевое сопло, образованное выполненным в виде раструба участком 103 и свободным концом центральной трубы 102, направляет поток воздуха 106 вдоль внутренней поверхности концевой трубы 104, и этот воздух охлаждает и защищает поверхность концевой трубы от недопустимого перегрева под действием проходящего через нее пламени. Концевая труба 104 вварена в выполненную в виде патрубка или втулки 107 внешнюю охлаждающую трубу, а между внутренней поверхностью втулки 107 и внешней поверхностью перекрывающей ее по длине концевой трубы 104 имеется свободное кольцевое пространство 112. Внешняя охлаждающая втулка 107, которая образует на стенке 101 камеры 100 сгорания выступающий патрубок, либо приварена к этой стенке, либо соединена с ней фланцевым болтовым или каким-либо иным соединением.

Рядом со сварным швом, которым внешняя втулка 107 приварена к концевой трубе 104, по окружности втулки расположены отверстия 108, через которые охлаждающий воздух 109 попадает в свободное кольцевое пространство 112 между втулкой и концевой трубой. Охлаждающий воздух 109 проходит по внешней поверхности концевой трубы 104, охлаждая ее, и попадает в камеру 100 сгорания по внутренней поверхности ее стенки 101, охлаждая место соединения стенки камеры сгорания с внешней охлаждающей втулкой 107, а также конец 114 трубы 104.

Следует отметить, что в осевом направлении концевая труба не полностью перекрывает всю длину втулки и что конец 114 трубы 104 не доходит на расстояние Ό до внутренней поверхности стенки 101 камеры сгорания. Было установлено, что это расстояние Ό, предпочтительно, должно быть приблизительно в два раза больше величины С кольцевого зазора между внутренней поверхностью втулки 107 и внешней поверхностью концевой трубы 104. За счет этого удается в определенной степени снизить воздействие тепла, которое выделяется в процессе сгорания топлива внутри камеры 100 сгорания, на конец 114 трубы 104.

Кроме того, пламя 110, которое образуется при запуске двигателя и воспламенении топлива в одной из камер сгорания и проходит по сборной поперечной трубе в соседнюю камеру сгорания, отделяется от обращенной в сторону пламени поверхности металлической концевой трубы внутренним слоем охлаждающего воздуха, который не оказывает никакого влияния на прохождение пламени из одной камеры сгорания в другую. Предлагаемая конструкция обеспечивает постоянное течение охлаждающего воздуха в направлении камеры сгорания, т.е. в направлении зон с максимально высокой температурой. В результате этого температура сборной поперечной трубы падает, срок ее службы повышается, а опасность разрушения ее расположенного рядом с камерой сгорания конца изза влияния высоких температур существенно снижается.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Система сгорания газотурбинного двигателя, соседние камеры сгорания которого соединены сборными поперечными трубами системы зажигания, через которые пламя (110), образовавшееся в одной из камер сгорания после воспламенения в ней топлива, проходит в другую камеру, в которой каждая сборная поперечная труба имеет входное устройство (105), через которое внутрь трубы поступает воздух (106) , обеспечивающий пленочное охлаждение внутренней, подверженной воздействию пламени, поверхности сборной поперечной трубы, отличающаяся наличием устройства (107) для охлаждения, которое расположено вокруг сборной поперечной трубы в месте ее соединения с камерой (100) сгорания и предназначено для пленочного охлаждения внешней поверхности сборной поперечной трубы, обеспечивая тем самым пленочное охлаждение как внутренней, так и внешней поверхностей сборной поперечной трубы.
2. Система сгорания газотурбинного двигателя, имеющая несколько камер сгорания, сборные поперечные трубы системы зажигания, через которые образующееся при воспламенении топлива пламя (110) проходит из одной камеры сгорания в другую, соседнюю с ней, причем каждая такая сборная поперечная труба имеет концевую трубу (104), через которую пламя проходит в камеру (100) сгорания и выходит из нее и которая имеет внутреннюю и внешнюю поверхности, и устройство (103, 105) для подвода охлаждающего воздуха в сборную поперечную трубу и пленочного охлаждения внутренней поверхности концевой трубы (104), отличающаяся тем, что концевая труба (104) соединена с камерой (100) сгорания через расположенную на стенке (101) камеры и выступающую наружу втулку (107), которая окружает и перекрывает по длине примыкающий к камере сгорания участок концевой трубы, образуя между своей внутренней поверхностью и внешней поверхностью концевой трубы кольцевой зазор (С), причем эта втулка имеет входное устройство (108), через которое в кольцевой зазор попадает охлаждающий воздух (109), обеспечивающий пленочное охлаждение примыкающей к стенке (101) камеры сгорания внешней поверхности концевой трубы (104) и внутренней поверхности втулки (107).
3. Система по п.2, в которой втулка (107) имеет расположенные по ее окружности рядом с местом ее соединения с концевой трубой (104) отверстия (108), через которые проходит воздух (109), обеспечивающий пленочное охлаждение внешней поверхности концевой трубы.
4. Система по п.2 или 3, в которой концевая труба (104) расположена таким образом, что ее край не доходит до внутреннего края втулки (107) и не входит в камеру (100) сгорания.
5. Система по п.2, в которой концевая труба не перекрывает по длине целиком всю втулку, а край концевой трубы (104) не доходит на расстояние (Ό) до внутренней поверхности стенки (101) камеры сгорания.
6. Система по п.5, в которой расстояние (Ό) от края концевой трубы (104) до внутренней поверхности стенки (101) камеры сгорания приблизительно в два раза превышает величину кольцевого зазора (О) между внутренней поверхностью втулки и внешней поверхностью концевой трубы.
7. Система по любому из пп.2-6, в которой втулка (107) расположена таким образом, что входящий из нее охлаждающий воздух движется по расположенной вокруг втулки внутренней поверхности стенки (101) камеры сгорания.
8. Система по любому из предыдущих пунктов, в которой сборная поперечная труба

Фиг. 1 системы зажигания, которая проходит между первой и второй камерами сгорания, состоит из центральной трубы (102) и первой и второй концевых труб (104), выполненных в виде патрубков первой и второй камер сгорания, причем первый конец центральной трубы вварен в первую концевую трубу, а второй конец центральной трубы по посадке входит внутрь второй концевой трубы, при этом охлаждающий воздух (106) поступает в кольцевые зазоры между внешней поверхностью центральной трубы (102) и внутренней поверхностью каждой концевой трубы (104), обеспечивая пленочное охлаждение концов центральной трубы и внутренних поверхностей концевых труб.
9. Газотурбинный двигатель с системой сгорания, выполненной по любому из предыдущих пунктов.