RU2769773C2

RU2769773C2 - Modular injection head for the combustion chamber of a gas turbine

Info

Publication number: RU2769773C2
Application number: RU2018146133A
Authority: RU
Inventors: Кристоф ГАУПП; Михаэль Томас МАУРЕР; Урс БЕНЦ; Александр Сергеевич МЯТЛЕВ
Original assignee: Ансальдо Энергия Свитзерленд Аг
Priority date: 2018-12-25
Filing date: 2018-12-25
Publication date: 2022-04-05
Also published as: CN111380076A; EP3674609A1; RU2018146133A3; EP3674609B1; CN111380076B; RU2018146133A

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to a modular injection head for the combustion chamber of a gas turbine. Injection head comprises a swirler and a fuel insert extending around the central axis, the swirler comprises multiple hollow streamlined blades (21) extending in a radial direction around the central axis, and flow channels (22) formed between adjacent blades (21), wherein the swirler comprises a first casing (18a) defining the boundary of the front part of the blades (21), and a second casing (18b) defining the boundary of the back part of the blades (21), wherein the first casing (18a) and the second casing (18b) are interconnected on a connecting surface transverse to the central axis. The fuel insert comprises a block of chambers extending around the central axis and multiple injection pins (31, 32), wherein each pin extends in a radial direction outward from the block (30) of chambers and is provided with at least a corresponding fuel nozzle (35), the injection pins (31, 32) are at least partially covered by corresponding hollow blades (21), and the fuel nozzles (35) are arranged so as to pass through the second casing (18b).

EFFECT: invention allows for a simplification in the process of assembly, improvement in the quality of fuel combustion.

15 cl, 8 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕFIELD OF TECHNOLOGY TO WHICH THE INVENTION RELATES

Настоящее изобретение относится к модульной инжекционной головке для камеры сгорания газовой турбины.The present invention relates to a modular injection head for a gas turbine combustion chamber.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯBACKGROUND OF THE INVENTION

Как известно, современные газовые турбины могут работать на ряде различных видов топлива, таких как различные виды жидкого и газообразного топлива, такого как природный газ и дизельное топливо. В общем случае выбор рабочего топлива зависит от цены, доступности и эксплуатационных параметров.As is known, modern gas turbines can be operated on a number of different fuels such as various liquid and gaseous fuels such as natural gas and diesel fuel. In general, the choice of operating fuel depends on price, availability and performance parameters.

Несколько видов камер сгорания были разработаны для получения горячего газа посредством сжигания газообразного или жидкого топлива, которое подается в сжатом воздухе через одну или более топливных форсунок. Камера сгорания одного вида, которая оказалась эффективной, содержит топливные форсунки расположенные радиально вокруг центральной оси, и систему подачи топлива, содержащую расположенные один внутри другого, топливоподающие элементы (по меньшей мере, один, но, возможно, два или более для каждого вида топлива) с соответствующими кольцевыми распределителями и подводящими трубками. Подводящие трубки проходят в радиальном направлении внутрь от кольцевых распределителей и имеют соответствующие наружные концы, соединенные с ними. Топливные форсунки могут быть предусмотрены у внутренних концов или на боковых стенках соответствующих подводящих трубок. Топливо, или газообразное, или жидкое, подается из топливоподающих элементов к кольцевым распределителям, которые служат в качестве кольцевых камер для выравнивания давления и создания одинаковых условий впрыска во всех топливных форсунках.Several types of combustors have been developed to produce hot gas by burning a gaseous or liquid fuel that is supplied in compressed air through one or more fuel injectors. One type of combustion chamber that has proved to be effective comprises fuel injectors arranged radially about a central axis and a fuel supply system comprising, one inside the other, fuel supply elements (at least one, but possibly two or more for each type of fuel) with corresponding ring distributors and supply pipes. The supply tubes extend radially inward from the annular distributors and have respective outer ends connected thereto. Fuel injectors may be provided at the inner ends or on the side walls of the respective feed pipes. Fuel, either gaseous or liquid, is supplied from the fuel supply elements to the annular distributors, which serve as annular chambers to equalize pressure and create the same injection conditions in all fuel injectors.

Однако соединение наружных концов подводящих трубок с кольцевыми распределителями является довольно сложным и дорогим. Действительно, подводящие трубки должны быть соединены по отдельности, и компенсаторы необходимы на наружном конце каждой подводящей трубки для гашения вибраций и восприятия нагрузок, вызываемых тепловым расширением. Компенсаторы могут быть выполнены, например, в виде сильфонов, применяемых между кольцевыми распределителями и подводящими трубками. В любом случае для соединений необходимы многочисленные дополнительные компоненты, и должны быть предусмотрены соответствующие сварные швы, что может быть критичным с точки зрения механики и усложняет процесс сборки. Кроме того, конструкция инжекционных головок часто является сложной и требует изготовления нескольких компонентов помимо сложного процесса сборки, предусматривающего многочисленные этапы для соединения компонентов посредством швов, стыков и сварных соединений.However, the connection of the outer ends of the supply tubes with the annular distributors is rather complicated and expensive. Indeed, the feed pipes must be connected separately, and compensators are needed at the outer end of each feed pipe to dampen vibrations and absorb the loads caused by thermal expansion. Compensators can be made, for example, in the form of bellows used between the annular distributors and supply pipes. In any case, numerous additional components are needed for the connections and appropriate welds must be provided, which can be critical from a mechanical point of view and complicate the assembly process. In addition, the design of injection heads is often complex and requires the manufacture of several components in addition to a complex assembly process involving numerous steps to connect the components through seams, joints and welds.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Задача настоящего изобретения состоит в разработке инжекционной головки для камеры сгорания газовой турбины, которая позволяет преодолеть или, по меньшей мере, уменьшить описанные ограничения.The object of the present invention is to provide an injection head for a gas turbine combustion chamber which overcomes or at least reduces the described limitations.

Согласно настоящему изобретению предложена инжекционная головка для камеры сгорания газовой турбины, при этом инжекционная головка содержит завихритель и топливную вставку, проходящую вокруг центральной оси;The present invention provides an injection head for a combustion chamber of a gas turbine, the injection head comprising a swirler and a fuel insert extending around a central axis;

при этом завихритель содержит множество полых лопастей обтекаемой формы, проходящих в радиальном направлении вокруг центральной оси, и проточные каналы, образованные между соседними лопастями;wherein the swirler comprises a plurality of hollow streamlined blades extending in the radial direction around the central axis, and flow channels formed between adjacent blades;

при этом завихритель содержит первый кожух, определяющий границу передней части лопаток, и второй кожух, определяющий границу задней части лопаток, при этом первый кожух и второй кожух соединены друг с другом на соединительной поверхности, поперечной к центральной оси;wherein the swirler comprises a first casing defining the boundary of the front part of the blades, and a second casing defining the boundary of the rear part of the blades, while the first casing and the second casing are connected to each other on a connecting surface transverse to the central axis;

при этом топливная вставка содержит блок камер, проходящий вокруг центральной оси, и множество инжекторных пальцев, каждый из которых проходит в радиальном направлении наружу от блока камер и предусмотрен с, по меньшей мере, соответствующей топливной форсункой;wherein the fuel insert comprises a chamber block extending around a central axis and a plurality of injector fingers each extending radially outward from the chamber block and provided with at least a corresponding fuel injector;

и при этом инжекторные пальцы закрыты, по меньшей мере частично, соответствующими полыми лопатками, и топливные форсунки расположены так, что они проходят через второй кожух.and wherein the injector fingers are at least partially covered by respective hollow vanes and the fuel injectors are positioned to extend through the second shroud.

Модульная конструкция значительно упрощает процесс сборки инжекционной головки, поскольку требуется соединить друг с другом только малое число компонентов. Первый кожух, топливная вставка и второй кожух могут быть изготовлены по отдельности в виде отдельных элементов и собраны для формирования инжекционной головки. Первый кожух, топливная вставка и второй кожух могут быть изготовлены рациональным образом посредством технологий аддитивного производства, которые являются гибким и позволяют интегрировать сложные элементы в соответствии с предпочтениями при проектировании. Кроме того, улучшается процесс технического обслуживания и текущего ремонта, поскольку разборка конструкции является такой же простой, как сборка, и поскольку модульные компоненты могут быть заменены по отдельности в соответствующих случаях, в то время как компоненты, которые не требуют замены, могут быть сохранены.The modular design greatly simplifies the process of assembling the injection head, since only a small number of components need to be connected to each other. The first shroud, the fuel insert, and the second shroud may be individually manufactured as separate elements and assembled to form an injection head. The first shroud, fuel insert, and second shroud can be intelligently manufactured through additive manufacturing techniques that are flexible and allow complex elements to be integrated according to design preferences. In addition, the maintenance and repair process is improved because disassembly of the structure is as simple as assembly and because modular components can be replaced individually when appropriate, while components that do not require replacement can be retained.

Согласно аспекту изобретения инжекционная головка содержит прижимной стержень, проходящий вдоль центральный оси и прижимающий первый кожух и топливную вставку друг к другу.According to an aspect of the invention, the injection head includes a pressure rod extending along a central axis and pressing the first shroud and the fuel insert against each other.

Фиксация первого кожуха и топливной вставки в центре дополнительно упрощает сборку инжекционной головки и, кроме того, присоединение всей инжекционной головки к корпусу камеры сгорания. Действительно, первый кожух и топливная вставка могут быть дополнительно жестко соединены друг с другом, и одно соединение с конструкцией камеры сгорания, например, посредством одного из инжекторных пальцев, может обеспечить достаточную механическую прочность. Компенсация теплового напряжения также может быть улучшена посредством одного соединения. Прижимной стержень может включать в себя винтовой элемент, образующий одно целое с одним из элементов, представляющих собой первый кожух и топливную вставку, и проходящий через другой из данных элементов.Fixing the first shroud and the fuel insert in the center further simplifies the assembly of the injection head and, in addition, the attachment of the entire injection head to the combustion chamber housing. Indeed, the first shroud and the fuel insert may additionally be rigidly connected to each other, and one connection to the combustion chamber structure, for example through one of the injector fingers, may provide sufficient mechanical strength. Thermal stress compensation can also be improved with a single connection. The clamping rod may include a screw element integral with one of the elements constituting the first casing and the fuel insert, and passing through the other of these elements.

Согласно аспекту изобретения второй кожух прикреплен к первому кожуху на соединительной поверхности предпочтительно посредством наружных крепежных элементов, расположенных вокруг первого кожуха и второго кожуха и выполненных с возможностью удерживания первого кожуха и второго кожуха вплотную друг к другу, или посредством сварки.According to an aspect of the invention, the second casing is attached to the first casing at the connecting surface, preferably by means of external fasteners located around the first casing and the second casing and adapted to hold the first casing and the second casing close to each other, or by welding.

Таким образом, все компоненты инжекционной головки могут быть легко собраны и присоединены к конструкции горелки.Thus, all components of the injection head can be easily assembled and attached to the burner structure.

Согласно аспекту изобретения первый кожух и второй кожух имеют соответствующие упрочняющие части стенок, проходящие в радиальном направлении у соединительной поверхности, и соответствующие соединительные элементы, контактно взаимодействующие друг с другом с обеспечением герметичности.According to an aspect of the invention, the first casing and the second casing have respective reinforcing wall portions extending in the radial direction at the connecting surface, and respective connecting members engaging with each other in a sealing manner.

Согласно аспекту изобретения второй кожух имеет аксиальное проходное отверстие, и прижимной стержень выполнен с возможностью избирательных вставки и извлечения через аксиальное проходное отверстие.According to an aspect of the invention, the second housing has an axial bore and the hold down bar is selectively insertable and withdrawable through the axial bore.

Согласно аспекту изобретения блок камер имеет кольцевую форму, и при этом аксиальное гнездо для прижимного стержня образовано в пространстве внутри блока камер.According to an aspect of the invention, the chamber block has an annular shape, and an axial pressure rod seat is formed in the space within the chamber block.

В конструкции топливной вставки предпочтительно используется радиальное распределение топлива посредством центрального блока камер. Прижимной блок легко размещается в кольцевом блоке камер, что обеспечивает возможность фиксации в центре без существенного увеличения занимаемого пространства.The fuel insert design preferably utilizes radial fuel distribution by means of a central chamber assembly. The pressure block is easily placed in the ring block of the chambers, which provides the possibility of fixing in the center without a significant increase in the space occupied.

Согласно аспекту изобретения топливная вставка содержит первичную топливную камеру, имеющую кольцевую форму и ограниченную внутренней трубчатой стенкой и наружной трубчатой стенкой, и вторичную топливную камеру, имеющую кольцевую форму и огороженную между внутренней трубчатой стенкой и наружной трубчатой стенкой первичной топливной камеры.According to an aspect of the invention, the fuel insert comprises a primary fuel chamber having an annular shape and bounded by an inner tubular wall and an outer tubular wall, and a secondary fuel chamber having an annular shape and enclosed between the inner tubular wall and the outer tubular wall of the primary fuel chamber.

Размещение первичной топливной камеры и вторичной топливной камеры одна внутри другой способствует выполнению эффективной и при этом компактной конструкции топливной вставки.Placing the primary fuel chamber and the secondary fuel chamber one inside the other contributes to an efficient yet compact design of the fuel insert.

Согласно аспекту изобретения топливная вставка содержит первичные топливоподводящие элементы, соединенные по текучей среде с первичной топливной камерой и ограниченные стенками соответствующих инжекторных пальцев, и вторичные топливоподводящие элементы, соединенные по текучей среде с вторичной топливной камерой и проходящие в радиальном направлении наружу внутри соответствующих первичных топливоподводящих элементов.According to an aspect of the invention, the fuel insert comprises primary fuel supply elements fluidly connected to the primary fuel chamber and limited by the walls of the respective injector fingers, and secondary fuel supply elements fluidly connected to the secondary fuel chamber and extending radially outward within the respective primary fuel supply elements.

Согласно аспекту изобретения инжекторные пальцы включают впускной инжекторный палец, выполненный с возможностью соединения с топливоподающим коллектором и содержащий первичный впускной элемент, соединенный по текучей среде с первичной топливной камерой, и вторичный впускной элемент, соединенный по текучей среде со вторичной топливной камерой и огороженный внутри первичного впускного элемента.According to an aspect of the invention, the injector pins include an inlet injector pin configured to be connected to a fuel delivery manifold and comprising a primary inlet member fluidly connected to the primary fuel chamber and a secondary inlet member fluidly coupled to the secondary fuel chamber and enclosed within the primary inlet chamber. element.

Аналогично вышеуказанному, инжекторная головка имеет компактную конструкцию благодаря размещению первичной и вторичной систем распределения топлива одна внутри другой. Подача топлива через один инжекторный палец значительно способствует упрощению соединения с конструкцией камеры сгорания. В частности, компенсаторы для восприятия тепловой нагрузки и гашения механических колебаний требуются только для впускного инжекторного пальца, в то время как остальные инжекторные пальцы могут быть просто оставлены со свободными концами. Кроме того, соединение с топливоподающим коллектором может быть использовано также в качестве одного места фиксации для всей инжекционной головки, поскольку может быть обеспечена достаточная механическая прочность.Similar to the above, the injector head has a compact structure due to the placement of the primary and secondary fuel distribution systems one inside the other. The supply of fuel through a single injector finger greatly contributes to the simplification of connection with the design of the combustion chamber. In particular, compensators for absorbing thermal loads and damping mechanical vibrations are required only for the inlet injector pin, while the remaining injector pins can simply be left with free ends. In addition, the fuel manifold connection can also be used as a single fixation point for the entire injection head, since sufficient mechanical strength can be ensured.

Согласно аспекту изобретения впускной инжекторный палец содержит, по меньшей мере, одну соответствующую форсунку, соединенную по текучей среде с первичным впускным элементом и со вторичным впускным элементом, и дефлектор, расположенный в первичном впускном элементе перед форсункой впускного инжекторного пальца и выполненный с возможностью уменьшения скорости первичного топлива в первичном впускном элементе до того, как первичное топливо достигнет данной, по меньшей мере, одной форсунки впускного инжекторного пальца, при этом дефлектор предпочтительно выполнен с возможностью создания вихря перед данной, по меньшей мере, одной форсункой впускного инжекторного пальца.According to an aspect of the invention, the inlet injector finger comprises at least one respective injector fluidly connected to the primary inlet element and to the secondary inlet element, and a deflector located in the primary inlet element upstream of the inlet injector finger nozzle and configured to reduce the speed of the primary of fuel in the primary inlet before the primary fuel reaches the at least one inlet finger injector, wherein the baffle is preferably configured to create a swirl ahead of the at least one inlet finger injector.

Дефлектор содействует обеспечению аналогичных условий впрыска во всех инжекторных пальцах, включая впускной инжекторный палец, что способствует эффективному сгоранию.The baffle helps to provide similar injection conditions in all injector pins, including the intake injector pin, which promotes efficient combustion.

Согласно аспекту изобретения инжекционная головка содержит радиальные ребра жесткости, проходящие в радиальном направлении внутри вторичного впускного элемента.According to an aspect of the invention, the injection head comprises radial stiffeners extending radially within the secondary inlet.

Разница в давлении между первичным топливоподводящим элементом и вторичным топливоподводящим элементом может быть довольно большой и может вызывать опасное напряжение. При таком напряжении вторичный топливоподводящий элемент имеет склонность расширяться в радиальном направлении и может деформироваться во время эксплуатации. Такая деформация эффективно предотвращается посредством радиальных ребер жесткости, которые могут быть легко выполнены в особенности в том случае, если топливную вставку изготавливают посредством технологий аддитивного производства.The difference in pressure between the primary fuel element and the secondary fuel element can be quite large and can cause dangerous voltage. Under such stress, the secondary fuel element tends to expand in the radial direction and may deform during operation. Such deformation is effectively prevented by means of radial stiffeners, which can be easily implemented, especially if the fuel insert is manufactured by additive manufacturing techniques.

Согласно аспекту изобретения радиальные ребра жесткости соединяют противоположные стенки вторичного впускного элемента и выполнены с возможностью предотвращения расширения вторичного впускного элемента в направлении вдоль окружности, вызываемого избыточным давлением во вторичном впускном элементе по отношению к первичному впускному элементу.According to an aspect of the invention, the radial stiffeners connect opposite walls of the secondary inlet and are configured to prevent expansion of the secondary inlet in a circumferential direction caused by overpressure in the secondary inlet relative to the primary inlet.

Согласно аспекту изобретения инжекционная головка содержит дополнительные радиальные ребра жесткости, проходящие в радиальном направлении внутри вторичных топливоподводящих элементов инжекторных пальцев, отличных от впускного инжекторного пальца, при этом данные дополнительные радиальные ребра жесткости выполнены с возможностью предотвращения расширения соответствующих вторичных топливоподводящих элементов в направлении вдоль окружности, вызываемого избыточным давлением в соответствующих вторичных топливоподводящих элементах по сравнению с соответствующими первичными топливоподводящими элементами.According to an aspect of the invention, the injection head comprises additional radial stiffeners extending in the radial direction within the secondary fuel supply elements of the injector fingers other than the inlet injector finger, wherein these additional radial stiffeners are adapted to prevent expansion of the respective secondary fuel supply elements in the circumferential direction caused by excess pressure in the respective secondary fuel supply elements compared to the corresponding primary fuel supply elements.

Согласно аспекту изобретения инжекционная головка содержит окружные ребра жесткости, проходящие в направлении вдоль окружности внутри вторичной топливной камеры, при этом окружные ребра жесткости соединяют противоположные стенки вторичного впускного элемента и выполнены с возможностью предотвращения расширения вторичной топливной камеры в радиальном направлении, вызываемого избыточным давлением во вторичной топливной камере по сравнению с первичной топливной камерой.According to an aspect of the invention, the injection head comprises circumferential stiffeners extending in a circumferential direction within the secondary fuel chamber, wherein the circumferential stiffeners connect opposite walls of the secondary inlet member and are configured to prevent expansion of the secondary fuel chamber in the radial direction caused by excess pressure in the secondary fuel chamber. chamber compared to the primary fuel chamber.

Аналогично вторичным топливоподводящим элементам, вторичная топливная камера также может подвергаться опасному напряжению, вызываемому перепадом давлений по отношению к первичной топливной камере, и расширению в радиальном направлении. Деформация предотвращается посредством окружных ребер жесткости.Similar to the secondary fuel delivery elements, the secondary fuel chamber can also be subjected to dangerous stress caused by a pressure difference with respect to the primary fuel chamber and expansion in the radial direction. Deformation is prevented by circumferential stiffening ribs.

Согласно аспекту изобретения камера сгорания газовой турбины содержит, по меньшей мере, инжекционную головку, определенную выше, и инжекционный коллектор, соединенный с инжекционной головкой.According to an aspect of the invention, a gas turbine combustor comprises at least an injection head as defined above and an injection manifold connected to the injection head.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Настоящее изобретение будет описано далее со ссылкой на сопровождающие чертежи, которые показывают некоторые неограничивающие варианты его осуществления и на которых:The present invention will now be described with reference to the accompanying drawings, which show some non-limiting embodiments of the same, and in which:

- фиг. 1 представляет собой продольное сечение газовой турбины в сборе;- fig. 1 is a longitudinal section of a gas turbine assembly;

- фиг. 2 представляет собой упрощенное продольное сечение трубчатой камеры сгорания газовой турбины в сборе по фиг. 1, включающей в себя инжекционную головку в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;- fig. 2 is a simplified longitudinal section of the gas turbine combustion chamber assembly of FIG. 1 including an injection head according to an embodiment of the present invention;

- фиг. 3 представляет собой вид в перспективе инжекционной головки по фиг. 2;- fig. 3 is a perspective view of the injection head of FIG. 2;

- фиг. 4 представляет собой вид в перспективе с пространственным разделением элементов инжекционной головки по фиг. 2 с разрезом вдоль осевой продольной плоскости;- fig. 4 is an exploded perspective view of the injection head of FIG. 2 with a section along the axial longitudinal plane;

- фиг. 5 представляет собой вид сбоку компонента инжекционной головки по фиг. 2;- fig. 5 is a side view of the injection head component of FIG. 2;

- фиг. 6 представляет собой увеличенный вид сбоку первой части компонента по фиг. 5;- fig. 6 is an enlarged side view of the first part of the component of FIG. 5;

- фиг. 7 представляет собой поперечное сечение компонента по фиг. 5, выполненное по плоскости VII-VII на фиг. 6;- fig. 7 is a cross section of the component of FIG. 5 taken along plane VII-VII in FIG. 6;

- фиг. 8 представляет собой увеличенный вид сбоку второй части компонента по фиг. 5.- fig. 8 is an enlarged side view of the second part of the component of FIG. 5.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF ILLUSTRATIVE EMBODIMENTS

Фиг. 1 показывает упрощенный вид газовой турбины в сборе, обозначенной в целом ссылочной позицией 1. Газовая турбина 1 в сборе содержит компрессорную часть 2, узел 3 с камерами сгорания и турбинную часть 5. Компрессорная часть 2 и турбинная часть 5 проходят вдоль главной оси М. Узел 3 с камерами сгорания может представлять собой одноступенчатый узел с камерами сгорания или узел с камерами сгорания последовательного действия. В одном варианте осуществления узел 3 с камерами сгорания содержит множество трубчатых камер 7 сгорания последовательного действия, расположенных по окружности вокруг главной оси М.Fig. 1 shows a simplified view of a gas turbine assembly, indicated as a whole by the reference numeral 1. The gas turbine assembly 1 comprises a compressor part 2, a combustor assembly 3 and a turbine part 5. The compressor part 2 and the turbine part 5 extend along the main axis M. The assembly 3 with combustors may be a single-stage combustor assembly or a sequential combustor assembly. In one embodiment, the combustion chamber assembly 3 comprises a plurality of sequentially operated tubular combustion chambers 7 arranged circumferentially around the main axis M.

Компрессорная часть 2 газовой турбины 1 в сборе создает поток сжатого воздуха, который добавляется к топливу и сжигается в трубчатых камерах 7 сгорания. Воздушный поток, нагнетаемый компрессорной частью 2, подается в узел 3 с камерами сгорания и в турбинную часть 5 для охлаждения.The compressor part 2 of the gas turbine 1 assembly creates a stream of compressed air, which is added to the fuel and burned in the tubular combustion chambers 7. The air flow injected by the compressor part 2 is supplied to the assembly 3 with combustion chambers and to the turbine part 5 for cooling.

В узле 3 с камерами сгорания трубчатые камеры 7 сгорания соединены с турбинной частью 5 посредством соответствующих переходных каналов 8.In the node 3 with the combustion chambers, the tubular combustion chambers 7 are connected to the turbine part 5 through the corresponding transition channels 8.

Часть одной из трубчатых камер 7 сгорания проиллюстрирована на фиг.2. Трубчатая камера 7 сгорания проходит вдоль центральной оси А и содержит кожух 10, жаровую трубу 11, ограничивающую проточный канал 12 для сжатого воздуха или горячего газа, и инжекционное устройство 13, выполненное с возможностью подачи регулируемого количества топлива в воздух или горячий газ в проточном канале. Трубчатая камера 7 сгорания может работать на различных видах топлива в зависимости от условий. Например, в трубчатой камере 7 сгорания газообразное топливо может использоваться в качестве первичного топлива и жидкое топливо - в качестве вторичного топлива.Part of one of the tubular combustion chambers 7 is illustrated in Fig.2. The tubular combustion chamber 7 extends along the central axis A and comprises a casing 10, a flame tube 11 defining a flow channel 12 for compressed air or hot gas, and an injection device 13 configured to supply a controlled amount of fuel into the air or hot gas in the flow channel. Tubular combustion chamber 7 can operate on various types of fuel depending on the conditions. For example, in the tubular combustion chamber 7, gaseous fuel can be used as the primary fuel and liquid fuel as the secondary fuel.

Инжекционное устройство 13, в свою очередь, содержит инжекционный коллектор 14, соединенный с топливоподающими магистралями (не показанными здесь) для приема первичного топлива и вторичного топлива, и инжекционную головку 15. Инжекционный коллектор 14 соединен с инжекционной головкой 15 посредством компенсатора 17, который выполнен с конфигурацией, обеспечивающей возможность перемещений инжекционного коллектора 14 и инжекционной головки 15 друг относительно друга в аксиальном направлении и/или в радиальном направлении. Компенсатор 17 обеспечивает возможность гашения вибраций и адаптации к тепловому расширению и может быть выполнен в виде сильфона и/или или аксиального ползуна.The injection device 13, in turn, includes an injection manifold 14 connected to fuel supply lines (not shown here) for receiving primary fuel and secondary fuel, and an injection head 15. The injection manifold 14 is connected to the injection head 15 through a compensator 17, which is made with a configuration that allows movement of the injection manifold 14 and the injection head 15 relative to each other in the axial direction and/or in the radial direction. The compensator 17 provides vibration damping and adaptation to thermal expansion and can be in the form of a bellows and/or an axial slider.

Инжекционная головка 15, показанная на фиг. 3 и 4, содержит завихритель 18 и топливную вставку 20, проходящую вокруг центральной оси А трубчатой камеры 7 сгорания.The injection head 15 shown in FIG. 3 and 4, comprises a swirler 18 and a fuel insert 20 extending around the central axis A of the tubular combustion chamber 7.

Завихритель 18 содержит множество полых лопаток 21 обтекаемой формы, проходящих в радиальном направлении вокруг центральной оси А, и проточные каналы 22, образованные между соседними лопатками 21. Лопатки 21 выполнены с возможностью сообщения тангенциальной составляющей скорости потоку газа, проходящему по каналам 22, что способствует смешиванию потока газа и топлива, впрыскиваемого инжекционной головкой 15, как разъяснено позднее. Лопатки могут иметь прямые задние кромки с криволинейными участками, например, задние кромки с округлыми выступами или зигзагообразные задние кромки, для улучшения смешивания в соответствии с предпочтениями при проектировании.The swirler 18 comprises a plurality of streamlined hollow vanes 21 extending in a radial direction around the central axis A, and flow channels 22 formed between adjacent vanes 21. The vanes 21 are configured to report the tangential velocity component to the gas flow passing through the channels 22, which promotes mixing the flow of gas and fuel injected by the injection head 15, as explained later. The paddles may have straight trailing edges with curved sections, such as rounded trailing edges or zigzag trailing edges, to improve mixing according to design preferences.

Завихритель 18 содержит первый кожух 18а и второй кожух 18b, определяющие границы соответственно передней части и задней части лопаток 21. Первый кожух 18а и второй кожух 18b соединены друг с другом на соединительной поверхности S, поперечной к центральной оси А. В одном варианте осуществления соединительная поверхность S предпочтительно может представлять собой соединительную плоскость, перпендикулярную к центральной оси А. Первый кожух 18а и второй кожух 18b имеют соответствующие упрочняющие части 23а, 23b стенок, образованные за счет локально увеличенной толщины и проходящие в радиальном направлении вдоль соединительной поверхности S. Соответствующие соединительные элементы 25а, 25b предусмотрены на соединительной поверхности S и могут быть образованы элементами, контактно взаимодействующими друг с другом с обеспечением герметичности, такими как канавка и соединительное ребро.The swirler 18 comprises a first shroud 18a and a second shroud 18b defining the front and rear portions of the blades 21, respectively. S may preferably be a connection plane perpendicular to the central axis A. The first casing 18a and the second casing 18b have respective wall reinforcement portions 23a, 23b formed by locally increased thickness and extending radially along the connection surface S. The respective connecting members 25a , 25b are provided on the connecting surface S, and may be formed by sealing contacting members such as a groove and a connecting rib.

Второй кожух 18b прикреплен к первому кожуху 18а на соединительной поверхности S, например, посредством наружных крепежных элементов 26, расположенных вокруг первого кожуха и второго кожуха и выполненных с возможностью удерживания первого кожуха 18а и второго кожуха 18b вплотную друг к другу. Крепежные элементы 26 могут включать перфорированные пластинчатые элементы, проходящие в радиальном направлении наружу от первого кожуха 18а и второго кожуха 18b, и винты, входящие в отверстия в перфорированных пластинчатых элементах. В одном варианте осуществления (непоказанном) второй кожух 18b может быть приварен к первому кожуху 18а на соединительной поверхности S.The second case 18b is attached to the first case 18a on the connecting surface S, for example, by external fasteners 26 located around the first case and the second case and configured to hold the first case 18a and the second case 18b close to each other. Fasteners 26 may include perforated plate elements extending radially outward from the first casing 18a and second casing 18b and screws engaging holes in the perforated plate elements. In one embodiment (not shown), the second shroud 18b may be welded to the first shroud 18a at the connection surface S.

Проходящие рядом со стенками, охлаждающие каналы 27 могут быть предусмотрены в стенках первого кожуха 18а и второго кожуха 18b и могут проходить вдоль соответствующих траекторий, образованных в соответствии с предпочтениями при проектировании.Wall-adjacent cooling channels 27 may be provided in the walls of the first case 18a and the second case 18b and may extend along respective paths formed in accordance with design preferences.

Топливная вставка 20 содержит блок 30 камер, проходящий вокруг центральной оси А, и множество инжекторных пальцев 31, 32, которые проходят в радиальном направлении наружу от блока 30 камер. Каждый инжекторный палец 31, 32 выполнен с одной или более соответствующими топливными форсунками 35 (двумя в проиллюстрированном варианте осуществления). Кроме того, инжекторные пальцы 31, 32 закрыты, по меньшей мере частично, соответствующими полыми лопатками 21 завихрителя 18. В частности, радиально внутренние части инжекторных пальцев 31, 32, расположенные вблизи блока 30 камер, могут находиться снаружи первого кожуха 18а и второго кожуха 18b завихрителя 18, в то время как радиально наружные части заключены внутри соответствующих полых лопаток 21. Топливные форсунки 35 расположены так, что они проходят через второй кожух 18b, то есть через заднюю часть лопаток 21, для подачи первичного и/или вторичного топлива в газ, проходящий по каналам 22. Не требуется, чтобы соответствующие инжекторные пальцы 31, 32 были размещены во всех лопатках 21, и некоторые лопатки 21 могут иметь только аэродинамическую функцию. Число и конфигурация лопаток 21 и число и конфигурация инжекторных пальцев 31, 32 могут быть выбраны по отдельности в соответствии с предпочтениями при проектировании, например, для оптимизации смешивания и профиля температур на входе турбины. В одном варианте осуществления инжекторные пальцы 31 для впрыска топлива могут быть расположены, например, в каждой второй лопатке 21. В любом случае возможны другие конфигурации.The fuel insert 20 comprises a chamber block 30 extending around a central axis A and a plurality of injector fingers 31, 32 which extend radially outward from the chamber block 30. Each injector pin 31, 32 is provided with one or more respective fuel injectors 35 (two in the illustrated embodiment). In addition, the injector fingers 31, 32 are closed, at least partially, by the respective hollow blades 21 of the swirler 18. In particular, the radially inner parts of the injector fingers 31, 32 located near the block 30 of chambers can be located outside the first casing 18a and the second casing 18b swirler 18, while the radially outer portions are enclosed within respective hollow vanes 21. The fuel injectors 35 are positioned so that they pass through the second shroud 18b, i.e. through the rear of the vanes 21, to supply primary and/or secondary fuel to the gas, passing through the channels 22. It is not required that the corresponding injector fingers 31, 32 be placed in all the vanes 21, and some vanes 21 may have only an aerodynamic function. The number and configuration of the vanes 21 and the number and configuration of the injection fingers 31, 32 may be individually selected according to design preference, for example to optimize mixing and turbine inlet temperature profile. In one embodiment, the fuel injection fingers 31 may be located in, for example, every other vane 21. In any case, other configurations are possible.

Прижимной стержень 36 предусмотрен в аксиальном гнезде 37, проходящем вдоль центральной оси А через первый кожух 18а и топливную вставку 20. Прижимной стержень 36 содержит винтовой элемент 36а и стопорную гайку 36b, которые взаимодействуют для поджима первого кожуха 18 и топливной вставки 30 друг к другу. Второй кожух 18b имеет аксиальное проходное отверстие 39, и винтовой элемент 36а выполнен с возможностью избирательных вставки и извлечения через аксиальное проходное отверстие 39. В одном варианте осуществления (непоказанном) винтовой элемент 36а образует одно целое с одним из элементов, представляющих собой первый кожух 18 и топливную вставку 20, и проходит через другой из данных элементов. Носовая часть 40 обтекаемой формы предусмотрена с передней стороны, то есть на первом кожухе 18а, для защиты прижимного стержня 36. Носовая часть 40 обтекаемой формы плавно соединяется с радиально внутренней стенкой каналов 22 без ступенчатых переходных зон.A push rod 36 is provided in an axial socket 37 extending along the central axis A through the first shroud 18a and the fuel insert 20. The push rod 36 includes a screw member 36a and a lock nut 36b that cooperate to press the first shroud 18 and the fuel insert 30 together. The second housing 18b has an axial bore 39 and the screw member 36a is selectively insertable and withdrawable through the axial bore 39. In one embodiment (not shown), the screw member 36a is integral with one of the first case 18 and fuel insert 20 and passes through the other of these elements. A streamlined nose 40 is provided on the front side, that is, on the first casing 18a, to protect the pressure rod 36. The streamlined nose 40 seamlessly connects to the radially inner wall of the channels 22 without stepped transition areas.

Блок 30 камер имеет кольцевую форму, и аксиальное гнездо 37 для прижимного стержня образовано в пространстве внутри блока 30 камер. В частности, блок 30 камер содержит первичную топливную камеру 41 и вторичную топливную камеру 42, которые обе имеют кольцевую форму. Первичная топливная камера 41 ограничена внутренней трубчатой стенкой 41а и наружной трубчатой стенкой 41b (фиг. 8). Вторичная топливная камера 42 огорожена между внутренней трубчатой стенкой 41а и наружной трубчатой стенкой 41b первичной топливной камеры 41.The chamber block 30 has an annular shape, and an axial presser rod seat 37 is formed in the space inside the chamber block 30. In particular, the chamber assembly 30 includes a primary fuel chamber 41 and a secondary fuel chamber 42, both of which are annular in shape. The primary fuel chamber 41 is defined by an inner tube wall 41a and an outer tube wall 41b (FIG. 8). The secondary fuel chamber 42 is enclosed between the inner tubular wall 41a and the outer tubular wall 41b of the primary fuel chamber 41.

Кроме того, топливная вставка 20 содержит первичные топливоподводящие элементы 43, соединенные по текучей среде с первичной топливной камерой 41 и ограниченные стенками соответствующих инжекторных пальцев 31, и вторичные топливоподводящие элементы 44, соединенные по текучей среде со вторичной топливной камерой 42 и проходящие в радиальном направлении наружу внутри соответствующих первичных топливоподводящих элементов 43.In addition, the fuel insert 20 comprises primary fuel supply elements 43 fluidly connected to the primary fuel chamber 41 and bounded by the walls of the respective injector fingers 31, and secondary fuel supply elements 44 fluidly connected to the secondary fuel chamber 42 and extending radially outward. inside the respective primary fuel supply elements 43.

Один из инжекторных пальцев, названный впускным инжекторным пальцем 42, выполнен с возможностью соединения с топливоподающим коллектором 45 (фиг. 2) и содержит первичный впускной элемент 47, соединенный по текучей среде с первичной топливной камерой 41, и вторичный впускной элемент 48, соединенный по текучей среде со вторичной топливной камерой 42 и огороженный внутри первичного впускного элемента 47. Впускной инжекторный палец 32 содержит соответствующие одну или более форсунок 35, соединенных по текучей среде с первичным впускным элементом 47 и со вторичным впускным элементом 48. Форсунки 35 впускного инжекторного пальца 32 расположены с возможностью впрыска топлива в направлении по ходу потока аналогично форсункам 35 остальных инжекторных пальцев 31, то есть проходят через второй кожух 18b, образующий заднюю часть лопаток 21. Дефлектор 50 расположен в первичном впускном элементе 47 перед форсункой 35 впускного инжекторного пальца 32. Дефлектор 50 может быть образован перегородкой, проходящей поперек к направлению потока первичного топлива, проходящего через первичный впускной элемент 47. В частности, дефлектор 50 выполнен с возможностью уменьшения скорости первичного топлива в первичном впускном элементе 47 до того, как первичное топливо достигнет форсунок 35 впускного инжекторного пальца 32. Уменьшение скорости обеспечивается за счет создания вихря перед форсунками 35 впускного инжекторного пальца 32 и способствует созданию одинакового режима давления во всех форсунках 35 инжекционной головки 15.One of the injector fingers, referred to as inlet injector finger 42, is configured to connect to fuel delivery manifold 45 (FIG. 2) and includes a primary inlet element 47 fluidly connected to the primary fuel chamber 41 and a secondary inlet element 48 fluidly connected. secondary fuel chamber 42 and enclosed within primary inlet 47. Inlet injector pin 32 includes respective one or more injectors 35 fluidly connected to primary inlet 47 and to secondary inlet 48. Injectors 35 of inlet injector pin 32 are located at the possibility of injecting fuel in the direction of flow in the same way as the nozzles 35 of the remaining injector fingers 31, that is, they pass through the second casing 18b forming the rear of the blades 21. The deflector 50 is located in the primary inlet element 47 in front of the nozzle 35 of the inlet injector finger 32. The deflector 50 can be formed by a partition extending transversely to the direction of flow of the primary fuel passing through the primary inlet element 47. In particular, the deflector 50 is configured to reduce the speed of the primary fuel in the primary inlet element 47 before the primary fuel reaches the injectors 35 of the inlet injector finger 32. The decrease in speed is provided by by creating a vortex in front of the nozzles 35 of the inlet injector finger 32 and contributes to the creation of the same pressure regime in all nozzles 35 of the injection head 15.

В одном варианте осуществления ребра 51 жесткости предусмотрены внутри вторичного впускного элемента 48. Ребра 51 жесткости проходят в радиальном направлении по существу на всей длине соответствующей части вторичного впускного элемента 48 и соединяют его противоположные стенки, при этом в одном варианте осуществления они имеют Х-образное поперечное сечение. Следовательно, ребра 51 жесткости предотвращают расширение вторичного впускного элемента 48 в направлении вдоль окружности, когда давление топлива во вторичном впускном элементе 48 превышает давление в первичном впускном элементе 47.In one embodiment, stiffeners 51 are provided within the secondary inlet 48. The stiffeners 51 extend radially for substantially the entire length of the corresponding portion of the secondary inlet 48 and connect its opposite walls, while in one embodiment they have an X-shaped transverse section. Therefore, the stiffening ribs 51 prevent the secondary inlet 48 from expanding in the circumferential direction when the fuel pressure in the secondary inlet 48 exceeds the pressure in the primary inlet 47.

Дополнительные ребра 51 жесткости, проходящие в радиальном направлении, могут быть предусмотрены для той же цели внутри вторичных топливоподводящих элементов инжекторных пальцев, отличных от впускного инжекторного пальца, при этом данные дополнительные радиальные ребра 51 жесткости выполнены с возможностью предотвращения расширения соответствующих вторичных топливоподводящих элементов в направлении вдоль окружности, вызываемого избыточным давлением в соответствующих вторичных топливоподводящих элементах по сравнению с соответствующими первичными топливоподводящими элементами.Additional ribs 51 extending in the radial direction may be provided for the same purpose within the secondary fuel elements of the injection pins other than the inlet injection pin, these additional radial ribs 51 being configured to prevent expansion of the respective secondary fuel elements in the longitudinal direction. circle caused by overpressure in the respective secondary fuel supply elements compared to the respective primary fuel supply elements.

Аналогичным образом, предусмотрены окружные ребра 52 жесткости, проходящие в направлении вдоль окружности внутри вторичной топливной камеры 42, которые соединяют противоположные стенки вторичного впускного элемента 48. Следовательно, окружные ребра 52 жесткости выполнены с возможностью предотвращения расширения вторичной топливной камеры 42 в радиальном направлении, вызываемого избыточным давлением во вторичной топливной камере 42 по сравнению с первичной топливной камерой 41.Similarly, circumferential stiffeners 52 are provided, extending in a circumferential direction within the secondary fuel chamber 42, which connect opposite walls of the secondary inlet member 48. Therefore, the circumferential stiffeners 52 are configured to prevent expansion of the secondary fuel chamber 42 in the radial direction caused by excessive pressure in the secondary fuel chamber 42 compared to the primary fuel chamber 41.

В завершение, очевидно, что описанная камера сгорания может быть подвергнута модификациям и изменениям без отхода от объема настоящего изобретения, определенного в приложенной формуле изобретения.In conclusion, it is obvious that the described combustion chamber can be subjected to modifications and changes without departing from the scope of the present invention as defined in the appended claims.

Claims

1. Injection head for the combustion chamber of a gas turbine, while the injection head contains a swirler (18) and a fuel insert (20) extending around the central axis (A);

while the swirler (18) contains a plurality of hollow blades (21) of a streamlined shape, passing in the radial direction around the central axis (A), and flow channels (22) formed between adjacent blades (21);

while the swirler (18) contains the first casing (18a), which defines the boundary of the front part of the blades (21), and the second casing (18b), which defines the boundary of the rear part of the blades (21), while the first casing (18a) and the second casing (18b ) are connected to each other on the connecting surface (S), transverse to the central axis (A);

while the fuel insert (20) contains a block (30) of chambers passing around the central axis (A), and a plurality of injector fingers (31, 32), each of which extends in the radial direction outward from the block (30) of chambers and is provided with, at least a corresponding fuel injector (35);

and wherein the injector fingers (31, 32) are at least partially covered by respective hollow vanes (21) and the fuel injectors (35) are positioned so that they pass through the second casing (18b).

2. The injection head according to claim 1, comprising a pressure rod (36) extending along the central axis (A) and pressing the first casing (18a) and the fuel insert (20) to each other.

3. The injection head according to claim 2, in which the second casing (18b) is attached to the first casing (18a) on the connecting surface (S), preferably by external fasteners (26) located around the first casing (18a) and the second casing (18b ) and configured to hold the first casing (18a) and the second casing (18b) close to each other, or by welding.

4. An injection head according to claim 2 or 3, wherein the first casing (18a) and the second casing (18b) have respective wall reinforcements (23a, 23b) extending radially at the connecting surface (S) and corresponding connecting elements (25a, 25b), contact interacting with each other to ensure tightness.

5. An injection head according to any one of claims 2 to 4, wherein the second casing (18b) has an axial bore and the pressure rod (36) is selectively insertable and withdrawable through the axial bore.

6. An injection head according to any one of claims 2 to 5, wherein the chamber block (30) has an annular shape, and an axial seat (37) for the pressure rod (36) is formed in the space inside the chamber block (30).

7. An injection head according to any one of the preceding claims, wherein the fuel insert (20) comprises a primary fuel chamber (41) having an annular shape and bounded by an inner tubular wall (41) and an outer tubular wall (42), and a secondary fuel chamber (42 ) having an annular shape and enclosed between the inner tubular wall (41a) and the outer tubular wall (41b) of the primary fuel chamber (41).

8. The injection head according to claim 7, in which the fuel insert (20) contains primary fuel supply elements (43) connected in fluid medium with the primary fuel chamber (41) and limited by the walls of the respective injector fingers (31, 32), and secondary fuel supply elements elements (44) fluidly connected to the secondary fuel chamber (42) and extending radially outward inside the respective primary fuel supply elements (43).

9. An injection head according to any one of the preceding claims, wherein the injector fingers (31, 32) include an inlet injector finger (31, 32) configured to be connected to a fuel supply manifold (14) and containing a primary inlet element (47) connected along fluid medium with the primary fuel chamber (41), and a secondary inlet element (48) fluidly connected to the secondary fuel chamber (42) and enclosed within the primary inlet element (47).

10. The injection head according to claim 9, in which the inlet injector finger (31, 32) contains at least one corresponding nozzle (35) connected in fluid medium with the primary inlet element (47) and with the secondary inlet element (48 ), and a deflector (50) located in the primary intake element (47) before the nozzle (35) of the intake injector finger (31, 32) and configured to reduce the speed of the primary fuel in the primary intake element (47) before the primary fuel reaches this at least one nozzle (35) of the inlet injector finger (31, 32), while the deflector (50) is preferably configured to create a vortex in front of this at least one nozzle (35) of the inlet injector finger (31 , 32).

11. An injection head according to claim 9 or 10, comprising radial stiffening ribs (51) extending radially inside the secondary inlet element (48).

12. An injection head according to claim 11, wherein the radial stiffeners connect opposite walls of the secondary inlet (48) and are configured to prevent expansion of the secondary inlet (48) in the circumferential direction caused by overpressure in the secondary inlet (48) in relation to the primary inlet element (47).

13. The injection head according to claim 11 or 12, containing additional radial stiffeners passing in the radial direction inside the secondary fuel supply elements (44) of the injector fingers (31, 32) other than the inlet injector finger (31, 32), while the data additional radial stiffening ribs are configured to prevent the expansion of the respective secondary fuel supply elements (44) in the direction along the circumference caused by excess pressure in the respective secondary fuel supply elements (44) compared to the corresponding primary fuel supply elements (43).

14. Injection head according to any one of the preceding claims, comprising circumferential stiffening ribs (52) extending in a circumferential direction inside the secondary fuel chamber (42), wherein the circumferential stiffening ribs (52) connect opposite walls of the secondary inlet element (48) and are made with the possibility of preventing expansion of the secondary fuel chamber (42) in the radial direction caused by excess pressure in the secondary fuel chamber (42) compared to the primary fuel chamber (41).

15. A gas turbine combustion chamber, comprising at least an injection head (15) according to any one of the preceding claims and an injection manifold connected to the injection head.