RU2028550C1

RU2028550C1 - Cooling method for flue tube gas-turbine plant combustion chamber

Info

Publication number: RU2028550C1
Authority: RU
Inventors: В.А. Акулов; В.А. Алексеев
Original assignee: Акционерное общество открытого типа "Ленинградский Металлический завод"
Priority date: 1990-11-05
Filing date: 1990-11-05
Publication date: 1995-02-09

Abstract

FIELD: gas-turbine manufacture. SUBSTANCE: boundary layer is sucked out of mixing chamber at flow rate of 8-12% of cooling air flow. EFFECT: improved cooling conditions. 3 dwg

Description

Изобретение относится к турбостроению, в частности к камерам сгорания газотурбинных установок (ГТУ). The invention relates to turbine construction, in particular to the combustion chambers of gas turbine units (GTU).

Известен способ охлаждения выполненной из обечаек внутренней стенки жаровой трубы камеры сгорания ГТУ, включающий организацию заградительного пристеночного слоя вдоль охлаждаемой стенки путем кольцевого дискретного струйного подвода охлаждающего воздуха вдоль каждой обечайки с последующим распространением его вдоль охлаждаемой стенки [1]. A known method of cooling made from the shells of the inner wall of the heat pipe of the combustion chamber of the gas turbine, including the organization of the barrier wall layer along the cooled wall by an annular discrete jet supply of cooling air along each shell with its subsequent distribution along the cooled wall [1].

Для реализации этого способа охлаждения на обечайке жаровой трубы штамповкой или холодной прокаткой выполнены кольцевые выступы (5-7 выступов по длине жаровой трубы). На выступах в окружном направлении сверлят отверстия диаметром 4-6 мм. Шаг между отверстиями выбирается из условия прочности и, как правило, равняется 2-2,5 диаметрам отверстий. Охлаждающий воздух из компрессора ГТУ проходит через отверстия внутрь жаровой трубы и, распространяясь с внутренней стороны, изолирует внутреннюю поверхность стенки от контакта с горячими продуктами сгорания, имеющими температуру 1400-1600^оС, и охлаждает стенку за счет конвекции. Известно, что коэффициент теплоотдачи конвекцией зависит от скорости струи воздуха чем выше скорость, тем интенсивнее охлаждение.To implement this cooling method, annular protrusions (5-7 protrusions along the length of the flame tube) are made on the shell of the flame tube by stamping or cold rolling. On the projections in the circumferential direction, holes with a diameter of 4-6 mm are drilled. The pitch between the holes is selected from the condition of strength and, as a rule, is equal to 2-2.5 diameters of the holes. The cooling air from the gas turbine compressor passes through the openings and into the flame tube, extending from the inner side, insulates inner wall surface from contact with the hot combustion products having a temperature of 1400-1600 ^{° C,} and cools the wall due to convection. It is known that the heat transfer coefficient of convection depends on the speed of the air stream, the higher the speed, the more intensive the cooling.

Основным недостатком известного способа охлаждения является неравномерность теплосъема на стенках обечаек. На участках стенки обечайки, расположенных между отверстиями, взаимодействие струек воздуха со стенкой, ее изоляция и охлаждение в продольном направлении начинаются на некотором удалении от входа вследствие того, что раскрытие струй воздуха по ширине происходит не мгновенно (угол раскрытия струи, вытекающей из отверстия, равен примерно 17-22^о). Кроме того, струи охлаждающего воздуха начинают взаимодействовать с продуктами сгорания практически сразу же за отверстием и, обладая (каждая струя в отдельности) достаточной энергией, быстро размываются. Вследствие изложенного ухудшаются условия охлаждения стенок, что снижает ресурс жаровой трубы камеры сгорания.The main disadvantage of the known cooling method is the uneven heat removal on the walls of the shells. In the sections of the shell wall located between the holes, the interaction of air streams with the wall, its insulation and cooling in the longitudinal direction begin at a certain distance from the entrance due to the fact that the disclosure of air jets across the width does not occur instantaneously (the opening angle of the jet emerging from the hole is about 17-22 ^o ). In addition, the jets of cooling air begin to interact with the products of combustion almost immediately behind the hole and, possessing (each jet separately) sufficient energy, quickly erode. As a result of the above, the cooling conditions of the walls are worsened, which reduces the resource of the flame tube of the combustion chamber.

В качестве прототипа выбран способ охлаждения жаровой трубы камеры сгорания ГТУ, включающий организацию заградительного пристеночного пограничного слоя путем кольцевого дискретного струйного подвода охлаждающего воздуха в кольцевую камеру смешения каждой обечайки, кольцевым щелевым выпуском этого воздуха из камеры смешения каждой обечайки с отсосом пограничного слоя с последующим распространением его вдоль охлаждаемой стенки жаровой трубы [2]. As a prototype, the method of cooling the heat pipe of the gas turbine combustion chamber’s chimney was selected, including the organization of a barrier wall near the boundary layer by means of an annular discrete jet supply of cooling air to the annular mixing chamber of each shell, the annular slotted outlet of this air from the mixing chamber of each shell with the suction of the boundary layer with its subsequent distribution along the cooled wall of the flame tube [2].

Для реализации этого способа охлаждения две соседние обечайки, выполненные штамповкой или холодной прокаткой, свариваются между собой, образуя кольцевую камеру, в которую воздух поступает струями через отверстия, выполненные в выступе наружной обечайки и распределенные равномерно по окружности обечайки. В кольцевой камере струи воздуха вытекают из отверстий с углом раскрытия 17-22^о, смешиваясь друг с другом в продольном направлении на некотором удалении от входа. Выходя далее через кольцевой щелевой зазор между обечайками, охлаждающий воздух в виде сплошной кольцевой струи распространяется вдоль внутренней поверхности обечайки жаровой трубы, во-первых, изолируя ее от горячих продуктов горения в огневой зоне, а во-вторых, охлаждая ее за счет конвекции.To implement this cooling method, two adjacent shells made by stamping or cold rolling are welded together, forming an annular chamber into which air enters in jets through openings made in the protrusion of the outer shell and distributed uniformly around the circumference of the shell. The annular chamber air jet flow from holes 17-22 ^{of the} opening angle, mixing with each other in the longitudinal direction at some distance from the entrance. Coming further through the annular gap between the shells, the cooling air in the form of a continuous ring jet spreads along the inner surface of the shell of the flame tube, firstly, isolating it from hot combustion products in the firing zone, and secondly, cooling it by convection.

По сравнению с аналогом в прототипе значительно улучшены условия охлаждения за счет наличия камеры смешения. Струи охлаждающего воздуха, предварительно соединившись между собой, вытекают из камеры смешения сплошной единой кольцевой струей, которая обладает большой устойчивостью от размывания продуктами сгорания. При этом в жаровой трубе отсутствуют участки, где бы не было охлаждающего воздуха, т.е. в прототипе сформирован пограничный охлаждающий слой на всей длине обечайки. Compared with the analogue in the prototype, the cooling conditions are significantly improved due to the presence of a mixing chamber. The jets of cooling air, having previously been connected to each other, flow out of the mixing chamber by a continuous single annular jet, which is highly resistant to erosion by combustion products. Moreover, there are no areas in the flame tube where there would be no cooling air, i.e. in the prototype, a boundary cooling layer is formed over the entire length of the shell.

Основным недостатком известного способа охлаждения является неравномерное поле скорости в окружном направлении в плоской кольцевой струе, сформированной в сечении на выходе из камеры смешения (щелевого зазора). Эта неравномерность вызвана дискретным подводом воздуха в камеру смешения через систему отверстий. Как правило, длина камеры смешения сравнительно невелика, и дискретно поданные струи воздуха не успевают полностью перемещаться в камере смешения. На выходе из камеры вследствие этого кольцевая плоская струя имеет неравномерную в окружном направлении скорость истечения. В местах, расположенных напротив отверстий, отмечаются более высокие скорости, превышающие среднюю по окружности на 20-25 %. Со сдвигом, равным половине шага между отверстиями, в кольцевой струе имеются минимумы скорости, которые меньше средней скорости также примерно на 20-25 %. Таким образом, разница в скоростях на отдельных участках кольцевой струи охлаждающего воздуха, выходящей из камеры смешения, может достигать 40-50 %. На участках, где скорость меньше, условия охлаждения и эффективность охлаждения хуже. Это может привести к локальному перегреву стенки и выходу жаровой трубы из строя. The main disadvantage of the known cooling method is the uneven velocity field in the circumferential direction in a flat annular jet formed in cross section at the outlet of the mixing chamber (gap gap). This unevenness is caused by a discrete supply of air into the mixing chamber through a system of holes. As a rule, the length of the mixing chamber is relatively small, and the discretely applied air jets do not have time to completely move in the mixing chamber. As a result of this, the annular plane jet at the exit from the chamber has an outflow velocity uneven in the circumferential direction. In places opposite the holes, higher speeds are noted, exceeding the average circumference by 20-25%. With a shift equal to half the step between the holes, in the annular stream there are minimums of speed, which are also approximately 20-25% lower than the average speed. Thus, the difference in speeds in individual sections of the annular stream of cooling air exiting the mixing chamber can reach 40-50%. In areas where the speed is lower, the cooling conditions and cooling efficiency are worse. This can lead to local overheating of the wall and the failure of the flame tube.

Удлинение камеры смешения для создания более равномерного поля скорости, как правило, невозможно по условию прочности. Чрезмерно длинный козырек подвержен в условиях высоких температур короблению, в результате чего может оказаться перекрытым на некотором участке выходной щелевой зазор, что приводит к прогару жаровой трубы. Elongation of the mixing chamber to create a more uniform velocity field, as a rule, is not possible under the condition of strength. An excessively long visor is subject to warping under conditions of high temperatures, as a result of which the exit slit gap may turn out to be blocked in some area, which leads to burnout of the flame tube.

Целью изобретения является повышение надежности жаровой трубы путем уменьшения неравномерности поля скоростей охлаждающего воздуха на выходе из камеры смешения. The aim of the invention is to increase the reliability of the flame tube by reducing the unevenness of the velocity field of the cooling air at the outlet of the mixing chamber.

Совокупность признаков изобретения является новой по сравнению с аналогом и прототипом, поскольку характеризуется наличием новой операции - отсосом пограничного охлаждающего слоя из камеры смешения в огневое пространство. Совокупность признаков изобретения по сравнению с аналогом позволяет организовать на выходе из камеры смешения сплошную кольцевую струю, которая обеспечивает существование пограничного охлаждающего слоя на всей длине обечайки жаровой трубы, что является новым свойством изобретения. По сравнению с прототипом изобретение позволяет уменьшить неравномерность поля скорости воздуха в окружном направлении на выходе из камеры смешения и повысить в результате этого эффективность охлаждения стенок жаровой трубы. Причем указанный эффект достигается при отсосе охлаждающего воздуха в количестве 8-12 %. The set of features of the invention is new in comparison with the analogue and prototype, because it is characterized by the presence of a new operation - by suction of the boundary cooling layer from the mixing chamber into the firing space. The combination of features of the invention in comparison with the analogue allows you to organize at the outlet of the mixing chamber a continuous annular stream, which ensures the existence of a boundary cooling layer along the entire length of the shell of the flame tube, which is a new property of the invention. Compared with the prototype, the invention allows to reduce the unevenness of the air velocity field in the circumferential direction at the outlet of the mixing chamber and to increase the efficiency of cooling the walls of the flame tube as a result. Moreover, this effect is achieved by suction of cooling air in an amount of 8-12%.

На фиг. 1 изображен продольный разрез стенок трех состыкованных между собой обечаек жаровой трубы; на фиг.2 - вид по стрелке А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.2. In FIG. 1 shows a longitudinal section through the walls of three stacked shells of a flame tube; figure 2 is a view along arrow a in figure 1; figure 3 is a section bB in figure 2.

Способ охлаждения жаровой трубы включает организацию по всей длине каждой обечайки 1 заградительного пристеночного пограничного слоя 2 в виде единой сплошной кольцевой струи с внешней границей 3 путем кольцевого дискретного струйного подвода через отверстия 4 в камеру 5 смешения между стенками 6 и 7 соседних обечаек 1 жаровой трубы охлаждающего воздуха и выпуска этого воздуха через кольцевую щель 8 из камеры 5 смешения. Из межструйного пространства 9 каждой камеры 5 смешения в месте подвода в нее охлаждающего воздуха осуществляют отсос пограничного слоя 2 последнего через отверстия 10 в огневое пространство 11 жаровой трубы в количестве, составляющем 8 - 12 % от количества охлаждающего воздуха. A method of cooling a flame tube includes arranging along the entire length of each shell 1 of a barrier wall layer 2 in the form of a single continuous annular jet with an external boundary 3 by means of a circular discrete jet supply through holes 4 into the mixing chamber 5 between the walls 6 and 7 of adjacent shells 1 of the cooling tube air and the release of this air through the annular gap 8 from the mixing chamber 5. From the inter-jet space 9 of each mixing chamber 5 at the place of supply of cooling air into it, the boundary layer 2 of the latter is sucked out through openings 10 into the fire chamber 11 of the flame tube in an amount of 8-12% of the amount of cooling air.

При реализации способа рабочий процесс протекает следующим образом. When implementing the method, the workflow proceeds as follows.

В огневом пространстве жаровой трубы существует факел пламени и распространяются продукты сгорания, имеющие высокую (1400 - 1800^оС) температуру. За счет тепла, переданного излучением, происходит нагрев стенок 12 обечаек 1. Для их охлаждения и создания заградительной струи, препятствующей контакту горячих газов со стенкой, через отверстия 4, выполненные в обечайках 1, вдувается охлаждающий воздух. В камере 5 происходит смыкание дискретно поданных через отверстия 4 струй воздуха в сплошной кольцевой поток, который выходит через кольцевую щель 8 и распространяется вдоль обечайки 1, образуя пристеночный пограничный слой 2 с внешней границей 3. Наличие пристеночного пограничного слоя 2 позволяет осуществлять конвективный съем тепла со стенки, полученного излучением от пламени, а также изолировать указанную стенку от контакта с продуктами сгорания.In the firing space of the flame tube there is a torch of flame and combustion products are distributed having a high (1400 - 1800 ^о С) temperature. Due to the heat transferred by the radiation, the walls 12 of the shells 1 are heated. In order to cool them and create a barrier stream that prevents the contact of hot gases with the wall, cooling air is blown through the holes 4 made in the shells 1. In chamber 5, the jets of air discretely applied through openings 4 are closed into a continuous annular stream that exits through the annular gap 8 and propagates along the shell 1, forming a wall boundary layer 2 with an external boundary 3. The presence of a wall boundary layer 2 allows convective heat removal from walls obtained by radiation from the flame, as well as isolate the specified wall from contact with combustion products.

Часть охлаждающего воздуха отсасывается за счет действия естественного перепада статического давления через отверстия 10 в огневое пространство 11. Отверстия 10 выполнены в обечайках 1 в межструйном пространстве 9, т.е. сдвинуты на половину шага между отверстиями 4. Part of the cooling air is aspirated due to the action of the natural differential pressure of the static pressure through the holes 10 into the firing space 11. The holes 10 are made in the shells 1 in the inter-jet space 9, i.e. shifted half step between holes 4.

В результате стока части воздуха через отверстия 10 происходит более интенсивное раскрытие струй охлаждающего воздуха, поступающих через отверстия 4. Это приводит к более быстрому и более полному выравниванию окружной скорости воздуха в кольцевой заградительной струе. Испытания на моделях показали, что пpи отсосе 8-12% от общего количества охлаждающего воздуха неравномерность скоростей не превышает 10-15 % (в прототипе она достигала 50 %). Уменьшение неравномерности скорости охлаждающего воздуха позволяет увеличить эффективность охлаждения стенок обечаек жаровой трубы и продлить ресурс камеры сгорания. As a result of the flow of part of the air through the openings 10, a more intensive opening of the cooling air jets entering through the openings 4 occurs. This leads to a faster and more complete alignment of the peripheral air velocity in the annular obstruction jet. Tests on models showed that at a suction of 8-12% of the total amount of cooling air, the uneven speed does not exceed 10-15% (in the prototype it reached 50%). Reducing the unevenness of the cooling air speed allows to increase the cooling efficiency of the walls of the shells of the flame tube and to extend the life of the combustion chamber.

Claims

METHOD FOR COOLING THE HEAT PIPE OF THE COMBUSTION CHAMBER OF A GAS-TURBINE INSTALLATION by creating a wall protective layer by means of a jet supply and annular discharge of cooling air from the mixing chamber with suction of the boundary layer from the mixing chamber into the fire space of the flame tube, characterized in that, in order to increase the reliability of the flame tube, the boundary layer is carried out with a flow rate equal to 8 - 12% of the flow rate of cooling air.