Газотурбинная установка и установка, содержащая лопатки-форсунки (варианты)



Газотурбинная установка и установка, содержащая лопатки-форсунки (варианты)
Газотурбинная установка и установка, содержащая лопатки-форсунки (варианты)
Газотурбинная установка и установка, содержащая лопатки-форсунки (варианты)
Газотурбинная установка и установка, содержащая лопатки-форсунки (варианты)
Газотурбинная установка и установка, содержащая лопатки-форсунки (варианты)
Газотурбинная установка и установка, содержащая лопатки-форсунки (варианты)
Газотурбинная установка и установка, содержащая лопатки-форсунки (варианты)
Газотурбинная установка и установка, содержащая лопатки-форсунки (варианты)
Газотурбинная установка и установка, содержащая лопатки-форсунки (варианты)
Газотурбинная установка и установка, содержащая лопатки-форсунки (варианты)
Газотурбинная установка и установка, содержащая лопатки-форсунки (варианты)
Газотурбинная установка и установка, содержащая лопатки-форсунки (варианты)

 


Владельцы патента RU 2531110:

Дженерал Электрик Компани (US)

Газотурбинная установка содержит компрессор, выполненный с возможностью приема и сжатия рабочей текучей среды, камеру сгорания, турбину. Камера сгорания выполнена с возможностью приема сжатой рабочей текучей среды из компрессора и топлива и с возможностью сжигания смеси сжатой рабочей текучей среды и топлива с образованием выхлопного газа. Турбина имеет первую секцию и вторую секцию и выполнена с возможностью приема выхлопного газа из камеры сгорания и использования его для вращения вала. Между первой и второй секциями турбины расположено кольцевое устройство сгорания для вторичного подогрева, которое содержит лопатку-форсунку для предварительного смешивания, выполненную с возможностью смешивания воздуха и топлива с созданием воздушно-топливной смеси и с возможностью введения этой смеси в выхлопной газ, поступающий из первой секции турбины. Изобретение направлено на повышение кпд установки за счет дополнительного подогрева и предварительного смешивания топлива и воздуха. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 12 ил.

 

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Изобретение, описанное в данном документе, относится к газовым турбинам и, более конкретно, к вторичному подогреву газов турбины с использованием кольцевого устройства сгорания для вторичного подогрева, имеющего лопатки-форсунки для предварительного смешивания.

[0002] Газотурбинные установки часто состоят из нескольких турбинных секций. Например, газы из одной турбинной секции могут направляться в последующие секции, причем каждая секция создает работу, производимую газотурбинной установкой. Однако по мере прохождения газов от одной секции турбины к следующей секции давление и температура газов понижается, так как каждая секция турбины извлекает энергию из потока, по существу, уменьшая производительность каждой последующей секции.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] Ниже приведено описание некоторых вариантов выполнения в соответствии с объемом правовой охраны первоначально заявленного изобретения. Эти варианты выполнения не предполагают ограничения объема заявленного изобретения, точнее подразумевается, что они только представляют возможные варианты данного изобретения в кратком изложении. В действительности данное изобретение может распространяться на множество вариантов, которые могут быть аналогичными рассмотренным ниже вариантам выполнения или отличаться от них.

[0004] В первом варианте выполнения газотурбинная установка содержит компрессор, выполненный с возможностью приема и сжатия рабочей текучей среды. Газотурбинная установка также содержит камеру сгорания, выполненную с возможностью приема сжатой рабочей текучей среды из компрессора и топлива. Камера сгорания выполнена с возможностью сжигания смеси сжатой рабочей текучей среды и топлива с образованием выхлопного газа. Газотурбинная установка также содержит турбину, имеющую первую секцию и вторую секцию. Указанная турбина выполнена с возможностью приема выхлопного газа из камеры сгорания и использования его для вращения вала. Между первой и второй турбинными секциями расположено кольцевое устройство для сгорания вторичного подогрева. Указанное устройство содержит лопатку-форсунку для предварительного смешивания, выполненную с возможностью смешивания воздуха и топлива с созданием воздушно-топливной смеси и с возможностью введения этой смеси в выхлопной газ, поступающий из первой секции турбины.

[0005] Во втором варианте выполнения установка содержит кольцевое устройство сгорания для вторичного подогрева, предназначенное для установки между первой и второй секциями турбины газотурбинной установки. Кольцевое устройство содержит кольцевой канал, имеющий внутреннюю кольцевую стенку, наружную кольцевую стенку и первую и вторую внутренние стенки, расположенные между внутренней и наружной кольцевыми стенками. Указанное кольцевое устройство сгорания также содержит лопатку-форсунку для предварительного смешивания, выполненную с возможностью смешивания воздуха и топлива с созданием воздушно-топливной смеси и с возможностью введения этой смеси в поток выхлопных газов из первой секции турбины.

[0006] В третьем варианте выполнения установка содержит кольцевой канал, имеющий внутреннюю кольцевую стенку и наружную кольцевую стенку. Данная установка также содержит лопатки-форсунки, выполненные с возможностью смешивания воздуха и топлива с созданием воздушно-топливной смеси и с возможностью введения этой смеси в центральную камеру, расположенную между внутренней и наружной кольцевыми стенками.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0007] Эти и другие свойства, аспекты и преимущества данного изобретения будут более понятны при прочтении последующего подробного описания со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых одинаковые номера позиции обозначают одинаковые детали и на которых

[0008] фиг.1 изображает принципиальную блок-схему иллюстративного варианта выполнения газотурбинной установки, содержащей кольцевое устройство сгорания для вторичного подогрева, имеющее лопатки-форсунки для предварительного смешивания;

[0009] фиг.2 изображает продольный разрез иллюстративного варианта выполнения газотурбинной установки, содержащей кольцевое устройство сгорания для вторичного подогрева, имеющее лопатки-форсунки для предварительного смешивания, как показано на фиг.1;

[0010] фиг.3 изображает принципиальную блок-схему иллюстративного варианта выполнения газотурбинной установки, содержащей кольцевое устройство сгорания для вторичного подогрева, имеющее лопатки-форсунки для предварительного смешивания, и несколько секций компрессора и турбины;

[0011] фиг.4 изображает вид в аксонометрии с местным разрезом иллюстративного варианта выполнения сужающегося-расширяющегося кольцевого канала и кольцевой камеры сгорания с конвективным охлаждением, обеспечивающую вторичный подогрев, используемую в кольцевом устройстве сгорания для вторичного подогрева, имеющем лопатки-форсунки для предварительного смешивания;

[0012] фиг.5 изображает продольный разрез сужающегося-расширяющегося кольцевого канала и кольцевой камеры сгорания с конвективным охлаждением, обеспечивающую вторичный подогрев;

[0013] фиг.6 изображает другой продольный разрез сужающегося-расширяющегося кольцевого канала и кольцевой камеры сгорания с конвективным охлаждением, обеспечивающую вторичный подогрев;

[0014] фиг.7 изображает частичный продольный разрез иллюстративного варианта выполнения сужающегося-расширяющегося кольцевого канала, иллюстрирующий установку лопаток-форсунок для предварительного смешивания в этом канале;

[0015] фиг.8 изображает вид в аксонометрии с частичным разрезом лопатки-форсунки для предварительного смешивания и сужающегося-расширяющегося кольцевого канала, иллюстрирующий крепежные элементы, обеспечивающие удержание указанной лопатки-форсунки на месте внутри указанного кольцевого канала;

[0016] фиг.9 изображает вид в аксонометрии иллюстративного варианта выполнения лопатки-форсунки для предварительного смешивания;

[0017] фиг.10 изображает продольный разрез иллюстративного варианта выполнения лопатки-форсунки для предварительного смешивания, иллюстрирующий поток воздуха и топлива, проходящий через эту лопатку;

[0018] фиг.11 изображает разрез иллюстративного варианта выполнения нижней части лопатки-форсунки для предварительного смешивания, иллюстрирующий поток воздуха и топлива, проходящий через нижнюю часть указанной лопатки; и

[0019] фиг.12 изображает вид в аксонометрии иллюстративного варианта выполнения нижней части лопатки-форсунки для предварительного смешивания, иллюстрирующий поток воздуха и топлива, проходящий через нижнюю часть указанной лопатки.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0020] Ниже приведено описание одного или более некоторых вариантов выполнения изобретения. Стремление создать всестороннее, но сжатое описание этих вариантов выполнения обусловливает то обстоятельство, что не все свойства фактической реализации изобретения могут быть приведены в данном описании. Следует понимать, что при разработке любой подобной фактической реализации, как и при любом инженерном или опытно-конструкторском проектировании, требуется выполнять большое количество согласований, связанных с реализацией, чтобы достичь определенных проектных целей, например, следует учитывать системные ограничения и ограничения, связанные с деловой деятельностью, которые могут меняться от одной реализации к другой. Кроме того, следует понимать, что направленные на разработку усилия могут быть сложными и трудоемкими, тем не менее, они являются обычным делом при проектировании, изготовлении и производстве для специалистов, извлекающих пользу из данного описания.

[0021] При представлении элементов различных вариантов выполнения данного изобретения подразумевается, что упоминание элементов в единственном числе и термин «указанный» обозначают наличие одного или более элементов. Подразумевается, что термины «содержащий», «включающий» и «имеющий» носят охватывающий характер, т.е. в данном случае возможно использование дополнительных элементов, которые отличаются от перечисленных в данном документе элементов.

[0022] Предлагаемые варианты выполнения содержат устройства и способы для вторичного подогрева газов между турбинными секциями газотурбинной установки. В частности, рассмотренные в данном документе варианты выполнения содержат кольцевое устройство сгорания для вторичного подогрева, содержащее лопатки-форсунки для предварительного смешивания. Эти лопатки выполнены с возможностью смешивания воздуха с топливом перед введением воздушно-топливной смеси в поток выхлопных газов с целью создания промежуточного подогрева, образующего вторично подогретые горячие газы, которые могут быть направлены в следующую турбинную секцию. Преимущества предлагаемых вариантов выполнения заключаются в том, что не требуются турбулизаторы потока и другие подобные смешивающие воздух/топливо детали, а также отдельные смесительные каналы благодаря, по меньшей мере частично, предварительному смешиванию воздуха и топлива перед введением в межсекционные газы. Кроме того, качество смешивания с данными газами может быть весьма высоким благодаря, по меньшей мере частично, большому количеству (например, 20 или более) выпускных отверстий, приходящихся на одну лопатку-форсунку, а также большому количеству лопаток-форсунок, равномерно распределенных по окружности. Кроме того, вторичный подогрев газов между секциями, описанный выше, может обеспечить увеличение теплового кпд газовой турбины или комбинированного цикла газовой турбины приблизительно на 1-3% или более.

[0023] Фиг.1 представляет собой принципиальную блок-схему иллюстративного варианта выполнения газотурбинной установки 10, содержащей кольцевое устройство 12 сгорания для вторичного подогрева, имеющее лопатки-форсунки для предварительного смешивания. Как изложено более подробно ниже, устройство 12 может быть выполнено с возможностью подогрева газов между различными турбинными секциями (например, расположенными выше и ниже по потоку ступенями турбины) установки 10 с использованием лопаток-форсунок для предварительного смешивания, каждая из которых имеет выпускные отверстия, предназначенные для введения предварительно смешанной воздушно-топливной смеси в поток газов между первой и второй турбинными секциями.

[0024] Газотурбинная установка 10 может использовать жидкое или газовое топливо 14, такое как природный газ и/или обогащенный кислородом синтез-газ. Как показано на чертеже, топливо 14 вводится в топливные форсунки 16, которые смешивают его с воздухом и распределяют воздушно-топливную смесь в камеру 18 сгорания. Например, форсунки 16 могут вводить воздушно-топливную смесь в пространство внутри камеры 18 сгорания при соответствующем соотношении для обеспечения оптимального сгорания, выброса, расхода топлива и выходной мощности. Воздушно-топливная смесь сгорает в пространстве внутри камеры 18 сгорания, создавая при этом горячие выхлопные сжатые газы. Камера 18 сгорания направляет выхлопные газы через турбину 20 к выпускному патрубку 22. По мере прохождения выхлопных газов через турбину 20 они заставляют одну или более турбинных лопаток вращать вал 24 вокруг оси газотурбинной установки. Как показано на чертеже, вал 24 может быть присоединен к различным компонентам газотурбинной установки 10, включая компрессор 26. Компрессор 26 также содержит лопатки, которые могут быть присоединены к валу 24. Так как вал 24 совершает вращение, то лопатки в компрессоре 26 также вращаются, обеспечивая сжатие воздуха, поступающего из воздухозаборника 28 и проходящего через компрессор 26 в форсунки 16 и/или камеру 18 сгорания. Вал 24 также может быть присоединен или механически, или аэродинамически к нагрузке 30, которая может быть транспортным средством или стационарной нагрузкой, такой как электрогенератор в силовой установке или пропеллером на летательном аппарате. Нагрузка 30 может содержать любое подходящее устройство, приводимое в действие выходным вращательным движением установки 10.

[0025] Фиг.2 представляет собой продольный разрез иллюстративного варианта выполнения установки 10, содержащей кольцевое устройство 12, имеющее лопатки-форсунки для предварительного смешивания, как показано на фиг.1. Установка 10 содержит одну или более топливных форсунок 16, расположенных внутри одной или более камер 18 сгорания. При работе воздух поступает в установку 10 через воздухозаборник 28 и сжимается в компрессоре 26. Сжатый воздух затем может быть смешан с газом для сжигания в камере 18. Например, форсунки 16 могут вводить воздушно-топливную смесь в камеру 18 в соответствующей пропорции для обеспечения оптимального сгорания, выделения продуктов сгорания, расхода топлива и выходной мощности. В процессе данного сгорания образуются горячие сжатые выхлопные газы, которые затем приводят в движение лопатки 32 турбины 20, обеспечивая вращение вала 24 и, соответственно, компрессора 26 и нагрузки 30. Вращение турбинных лопаток 32 вызывает вращение вала 24, заставляя тем самым лопатки 34 в компрессоре 26 втягивать и сжимать воздух, поступающий через воздухозаборник 28. Следует отметить, что установка 10 может быть выполнена для работы с соответствующими рабочими текучими средами, отличными от воздуха, такими как смеси из углекислого газа и кислорода.

[0026] Фиг.3 изображает принципиальную блок-схему иллюстративного варианта выполнения газотурбинной установки 10, содержащей кольцевое устройство 12, содержащее лопатки-форсунки для предварительного смешивания, и несколько секций компрессора 26 и турбины 20. В частности, установка 10, показанная на фиг.3, содержит две компрессорные секции 36, 38 и три турбинные секции 40, 42, 44. В некоторых вариантах выполнения первая компрессорная секция 36 может быть секцией низкого давления, например, вспомогательным компрессором, тогда как вторая компрессорная секция 38 может быть секцией среднего или высокого давления. Кроме того, в некоторых вариантах выполнения первая турбинная секция 40 может быть секцией высокого давления, вторая турбинная секция 42 может быть секцией среднего давления, а третья секция 44 может быть силовой секцией. Однако в других вариантах выполнения компрессорные секции 36, 38 и турбинные секции 40, 42, 44 могут содержать другие комбинации компрессоров и турбин. Например, в предложенных вариантах выполнения могут использоваться одновальные или многовальные газовые турбины.

[0027] В некоторых вариантах выполнения воздух, полученный из воздухозаборника 28, может быть сжат в первой компрессорной секции 36 с образованием нагретого сжатого воздуха. Сжатый воздух из первой секции 36 может быть направлен во вторую компрессорную секцию 38, в которой он может быть дополнительно сжат с образованием сжатого воздуха, который смешивается с топливом 14 в камере 18 сгорания установки 10.

[0028] Как изложено выше, в процессе сгорания в камере 18 сгорания образуются горячие сжатые выхлопные газы, которые затем приводят в действие лопатки 32 турбины 20 для вращения вала 24, а также, соответственно, компрессора 26 и нагрузки 30. В частности, в некоторых вариантах выполнения горячие сжатые газы из камеры 18 сгорания могут быть сначала направлены в первую турбинную секцию 40 (например, секцию высокого давления). После использования горячих сжатых газов, полученных из камеры 18, для приведения в действие лопаток в первой турбинной секции 40 с обеспечением вращения вала 24, выхлопные газы 46 из турбинной секции 40 могут быть направлены в кольцевое устройство 12 сгорания. В кольцевом устройстве 12 выхлопные газы 46, полученные из первой турбинной секции 40, могут быть вторично подогреты путем сгорания выхлопных газов 46 с воздухом и топливом 14 для повышения температуры и давления выхлопных газов 46 для образования вторично подогретых сжатых газов 48, которые могут быть направлены во вторую турбинную секцию 42 (например, в секцию среднего давления), в которой газы 48 могут быть использованы для приведения в движение лопаток второй турбинной секции 42 для вращения вала 24.

[0029] Другими словами, вместо перемещения непосредственно из первой турбинной секции 40 во вторую турбинную секцию 42 выхлопные газы 46 из первой турбинной секции 40 подвергаются вторичному подогреву в кольцевом устройстве 12, а затем направляются во вторую турбинную секцию 42 в виде вторично подогретых сжатых газов 48. С точки зрения термодинамики использование кольцевого устройства 12 для вторичного подогрева выхлопных газов 46 обеспечивает работу при более высоком отношении давлений, чем при использовании одной системы сгорания (т.е. без вторичного подогрева). Вторичный подогрев выхлопных газов 46 в кольцевом устройстве 12 увеличивает производительность турбины 20. В некоторых вариантах выполнения этот результат можно получить без увеличения степени сжатия, требуемой компрессором 26, или без увеличения температуры горячих сжатых газов, поступающих из камеры 18 сгорания в первую турбинную секцию 40. Однако оптимальный (например, наиболее эффективный) цикл вторичного подогрева может использовать большее сжатие от компрессора 26. Одним преимуществом использования кольцевого устройства 12 для вторичного подогрева выхлопных газов 46 является удельная мощность. Другими словами, на единицу габарита или объема можно получить большую выходную мощность, чем в системах с таким же габаритом, в которых не используется вторичный подогрев. По существу, газотурбинная установка 10, использующая кольцевое устройство 12 для вторичного подогрева, может быть менее дорогостоящей и более эффективной при более низких температурах, полученных при сгорании (например, на входе ротора турбины).

[0030] В некоторых вариантах выполнения благодаря, по меньшей мере частично, вторичному подогреву посредством процесса сгорания температура горячих сжатых газов, полученных из камеры 18 сгорания, может поддерживаться ниже температур, проектируемых для материалов, используемых в первой турбинной секции 40. В свою очередь, температура выхлопных газов 46, поступающих из первой турбинной секции 40, повышается перед второй турбинной секцией 42. Однако в других вариантах выполнения оптимальный цикл вторичного подогрева может использовать одну и ту же температуру, полученную при сгорании, в каждой последующей ступени турбины. Этот режим иногда называют режимом «турбины с постоянной температурой». В некоторых вариантах выполнения вторичный подогрев выхлопных газов 46, поступающих из первой турбинной секции 40, для создания вторично подогретых сжатых газов 48, направляемых во вторую турбинную секцию 42, может повышать тепловой кпд установки 10 приблизительно на 1%-3% или более.

[0031] Как изложено выше, кольцевое устройство 12 может быть расположено между первой турбинной секцией 40 и второй турбинной секцией 42. В частности, кольцевое устройство 12 может содержать один или более сужающихся-расширяющихся каналов, расположенных вокруг вала 24 установки 10. Например, в некоторых вариантах выполнения кольцевое устройство 12 может содержать один сужающийся-расширяющийся канал, который образует устройство 12. Однако в других вариантах выполнения кольцевое устройство 12 может содержать два или более сужающихся-расширяющихся каналов, соединенных вместе с образованием устройства 12.

[0032] Фиг.4 представляет собой вид в аксонометрии с частичным разрезом иллюстративного варианта выполнения сужающегося-расширяющегося кольцевого канала 50, используемого в кольцевом устройстве 12 сгорания, имеющем лопатки-форсунки для предварительного смешивания. Как показано на чертеже, кольцевой канал 50 содержит наружный верхний по потоку воздуховод 52, внутренний верхний по потоку воздуховод 54, наружный нижний по потоку воздуховод 56 и внутренний нижний по потоку воздуховод 58, обеспечивающие циркуляцию воздуха, проходящего через канал 50. Все эти воздуховоды 52, 54, 56 и 58 могут быть полыми кольцевыми воздуховодами. Кроме того, кольцевой канал 50 содержит верхнюю по потоку камеру 60 сгорания для вторичного подогрева и нижнюю по потоку камеру 62 сгорания для вторичного подогрева, через которые проходят выхлопные газы 46 из первой турбинной секции 40 и подогреваются для создания вторично подогретых сжатых газов 48, направляемых во вторую турбинную секцию 42. Как изложено более подробно ниже, каждый кольцевой канал 50 также содержит одну или более лопаток-форсунок 64 для предварительного смешивания, которые смешивают топливо 14 с воздухом, поступающим из наружного и внутреннего верхних воздуховодов 52, 54. Затем полученную предварительным смешиванием воздушно-топливную смесь вводят в верхнюю камеру 60 сгорания, в которой она сгорает вместе с выхлопными газами 46, поступившими из первой турбинной секции 40, с образованием вторично подогретых сжатых газов 48, которые направляют во вторую турбинную секцию 42. В частности, устройство 12 использует эффект самовоспламенения. Чтобы получить надежное самопроизвольное воспламенение воздушно-топливной смеси и расширить диапазон стабильности, температура газов 46 из первой секции 40 может поддерживаться на уровне выше приблизительно 1100°F (593°C), которая в целом соответствует температуре самовоспламенения метана.

[0033] Как показано на чертежах, в некоторых вариантах выполнения кольцевой канал 50 может содержать наружную стенку 66, которая имеет верхнюю по потоку часть 68 и нижнюю по потоку часть 70, соединенные сужающейся частью 72 стенки. Кроме того, в некоторых вариантах выполнения канал 50 может содержать внутреннюю стенку 74, которая имеет верхнюю по потоку часть 76 и нижнюю по потоку часть 78, соединенные сужающейся частью 80 стенки. Канал 50 также может содержать наружную стенку 82 внутренней части и внутреннюю стенку 84 внутренней части, расположенные между наружной 66 и внутренней стенками 74.

[0034] Наружная стенка 82 внутренней части может иметь первую расширяющуюся часть 86, которая расширяется в направлении наружной стенки 66. Первая расширяющаяся часть 86 стенки может быть присоединена к первой сужающейся части 88 стенки, которая сужается в направлении от наружной стенки 66. Первая сужающаяся часть 88 стенки может быть присоединена ко второй расширяющейся части 90 стенки, которая расширяется в направлении наружной стенки 66. Нижний по потоку конец 92 второй расширяющейся части 90 стенки может быть присоединен к соединительной части 94 стенки, которая проходит радиально от второй расширяющейся части 90 стенки к верхней по потоку части 68 наружной стенки 66. Соединительная часть 94 стенки может быть присоединена к первой нижней по потоку части 96, которая проходит в целом параллельно нижней по потоку части 70 наружной стенки 66. Первая нижняя по потоку часть 96 стенки может быть присоединена ко второй нижней по потоку части 98 стенки, которая сужается в направлении от нижней по потоку части 70 наружной стенки 66. Кроме того, наружная стенка 82 внутренней части может быть присоединена к верхней по потоку части 68 наружной стенки 66 посредством верхней по потоку стенки 100, которая проходит радиально от наружной стенки 82 внутренней части к верхней по потоку части 68 наружной стенки 66. Подобным образом, наружная стенка 82 внутренней части может быть присоединена к нижней по потоку части 70 наружной стенки 66 посредством нижней по потоку стенки 102, которая проходит радиально от наружной стенки 82 к нижней по потоку части 70.

[0035] Внутренняя стенка 84 внутренней части может иметь первую расширяющуюся часть 104, которая расширяется к внутренней стенке 74. Первая расширяющаяся часть 104 может быть присоединена к первой сужающейся части 106 стенки, которая сужается в направлении от внутренней стенки 74. Первая сужающаяся часть 106 может быть присоединена ко второй расширяющейся части 108 стенки, которая расширяется в направлении внутренней стенки 74. Нижний по потоку конец 110 второй расширяющейся части 108 стенки может быть присоединен к соединительной части 112 стенки, которая проходит радиально от второй расширяющейся части 108 к верхней по потоку части 76 внутренней стенки 74. Соединительная часть 112 стенки может быть присоединена к первой нижней по потоку части 114, которая проходит в целом параллельно нижней по потоку части 78 внутренней стенки 74. Первая нижняя по потоку часть 114 стенки может быть присоединена ко второй нижней по потоку части 116 стенки, которая сужается в направлении от нижней по потоку части 78 внутренней стенки 74. Кроме того, внутренняя стенка 84 внутренней части может быть присоединена к верхней по потоку части 76 внутренней стенки 74 посредством верхней по потоку стенки 118, которая проходит радиально от внутренней стенки 84 к внутренней верхней по потоку части 76 стенки. Подобным образом, внутренняя стенка 84 может быть присоединена к внутренней нижней по потоку части 78 внутренней стенки 74 посредством нижней по потоку стенки 120, которая проходит радиально от внутренней стенки 84 к внутренней нижней по потоку части 78.

[0036] Наружный верхний по потоку воздуховод 52 в целом ограничен верхней по потоку частью 68 наружной стенки 66, первой расширяющейся частью 86 наружной стенки 82 внутренней части, первой сужающейся частью 88 наружной стенки 82, второй расширяющейся частью 90 наружной стенки 82, соединительной частью 94 наружной стенки 82 и верхней по потоку стенкой 100. Подобным образом, внутренний верхний по потоку воздуховод 54 в целом ограничен верхней по потоку частью 76 внутренней стенки 74, первой расширяющейся частью 104 внутренней стенки 84 внутренней части, первой сужающейся частью 106 внутренней стенки 84, второй расширяющейся частью 108 внутренней стенки 84, соединительной частью 112 внутренней стенки 84 и верхней по потоку стенкой 118. Кроме того, верхняя по потоку камера 60 сгорания в целом ограничена первой расширяющейся частью 86 наружной стенки 82 внутренней части, первой сужающейся частью 88 наружной стенки 82, второй расширяющейся частью 90 наружной стенки 82, первой расширяющейся частью 104 внутренней стенки 84 внутренней части, первой сужающейся частью 106 внутренней стенки 84 и второй расширяющейся частью 108 внутренней стенки 84.

[0037] Наружный нижний по потоку воздуховод 56 в целом ограничен сужающейся частью 72 наружной стенки 66, нижней по потоку частью 70 наружной стенки 66, первой нижней по потоку частью 96 наружной стенки 82 внутренней части, второй нижней по потоку частью 98 наружной стенки 82 внутренней части и нижней по потоку стенкой 102. Подобным образом, внутренний нижний по потоку воздуховод 58 в целом ограничен сужающейся частью 80 внутренней стенки 74, нижней по потоку частью 78 внутренней стенки 74, первой нижней по потоку частью 114 внутренней стенки 84 внутренней части, второй нижней по потоку частью 116 внутренней стенки 84 и нижней по потоку стенкой 120. Кроме того, нижняя по потоку камера 62 сгорания для вторичного подогрева в целом ограничена соединительной частью 94 наружной стенки 82 внутренней части, первой нижней по потоку частью 96 наружной стенки 82, второй нижней по потоку частью 98 наружной стенки 82, соединительной частью 112 внутренней стенки 84 внутренней части, первой нижней по потоку частью 114 внутренней стенки 84 внутренней части и второй нижней по потоку частью 116 внутренней стенки 84.

[0038] Следует отметить, что назначение сужающегося-расширяющегося прохода канала 50 заключается в содействии предварительному смешиванию топлива и воздуха, а также в обеспечении «регулируемого по площади» прохода, так что заграждение прохода, создаваемое лопатками-форсунками 64, компенсируется увеличением площади сечения канала. Поскольку воздушно-топливная смесь самовоспламеняется в пределах миллисекунд при температурах, имеющихся в канале 50, то зоны рециркуляции, застойных явлений, ослабления, наличия утолщенных разделенных граничных слоев или других областей низкой скорости в канале для смешивания ниже по потоку от точки введения топлива будут сведены к минимуму. Форма сужающегося-расширяющегося прохода предусматривает сведение к минимуму подобных областей. Обратный удар пламени в эти каналы, где оно может удерживаться на лопатках-форсунках 64, в противном случае будет оказывать негативное влияние на срок службы и выделение NOx. Область быстрого расширения, в которой меньший сужающийся-расширяющийся канал (т.е. верхняя по потоку камера 60 сгорания) переходит в большую кольцевую нижнюю по потоку камеру 62 сгорания, предназначена для стабилизации пламени, полученного посредством предварительного смешивания. Другое преимущество такой формы прохода заключается в уменьшении заграждения проточной части турбины. В противном случае этот тип заграждения может создавать большие потери давления, снижение давления вторично подогретых сжатых газов, поступающих в следующую турбинную секцию, а также снижение выходной мощности и эффективности. Таким образом, цель сужающегося-расширяющегося канала (т.е. верхней по потоку камеры 60 сгорания для вторичного подогрева) и лопаток-форсунок 64 заключается в эффективном и тщательном смешивании топлива и воздуха, обеспечивающем низкое выделение NOx, с минимальной степенью заграждения и потерь давления с одновременным устранением застойных зон, которые могут привести к обратному удару и удержанию пламени в частях кольцевого канала 50, конструкция которого не рассчитана на температуры пламени.

[0039] Фиг.5 представляет собой продольный разрез кольцевого канала 50. В варианте выполнения, показанном на фиг,5, воздух может поступать в наружный нижний по потоку воздуховод 56 через наружное отверстие 122 для впуска воздуха, как показано стрелкой 124. В показанном варианте выполнения отверстие 122 может быть расположено у нижнего по потоку конца нижней по потоку части 70 наружной стенки 66. Однако в других вариантах выполнения отверстие 122 может быть расположено в нижней по потоку стенке 102. Подобным образом, в показанном на фиг.5 варианте выполнения воздух может поступать во внутренний нижний по потоку воздуховод 58 через внутреннее отверстие 126 для впуска воздуха, как показано стрелкой 128. В показанном варианте выполнения внутреннее отверстие 126 может быть расположено в нижней по потоку стенке 120. Однако в других вариантах выполнения внутреннее отверстие 126 для впуска воздуха может быть расположено в нижнем по потоку конце нижней по потоку части 78 внутренней стенки 74. В некоторых вариантах выполнения воздух, поступающий во внутреннее отверстие 126, может быть отведен через проход для горячего потока с использованием одной или более лопаток статора турбины 20. Предложенный перепускной способ также обеспечивает внутреннее конвективное охлаждение лопатки статора и, соответственно, дополнительное преимущество.

[0040] Как показано на фиг.5, воздух, имеющийся в наружном нижнем по потоку воздуховоде 56, проходит в наружный верхний по потоку воздуховод 52, как показано стрелкой 130. В некоторых вариантах выполнения воздух из воздуховода 56 может проходить вокруг и/или через разделитель 132 наружного воздуховода, который проходит через воздуховод 56 от нижней по потоку стенки 102 к верхней по потоку части 68 наружной стенки 66. В частности, разделитель 132 может, по существу, проходить параллельно второй нижней по потоку части 98 и первой нижней по потоку части 96 наружной стенки 82 внутренней части. Подобным образом, воздух, имеющийся во внутреннем нижнем по потоку воздуховоде 58, проходит к внутреннему верхнему по потоку воздуховоду 54, как показано стрелкой 134. В некоторых вариантах выполнения воздух из внутреннего нижнего по потоку воздуховода 58 может проходить вокруг и/или через разделитель 136 внутреннего воздуховода, который проходит через воздуховод 58 от нижней по потоку стенки 120 к верхней по потоку части 76 внутренней стенки 74. В частности, разделитель 136 может в целом проходить параллельно второй нижней по потоку части 116 и первой нижней по потоку части 114 внутренней стенки 84. Полезное действие разделителей 132, 136 заключается в способности подготавливать проходную площадь снаружи нижней по потоку камеры 62 сгорания с улучшением наружного конвективного охлаждения камеры 62. Разделители 132, 136 можно рассматривать как «направляющие рукава» или «тепловые экраны».

[0041] Кроме того, как показано на фиг.5, некоторая часть воздуха, имеющаяся в наружном воздуховоде 52, может проходить в лопатки-форсунки 64, как показано стрелкой 138. Подобным образом, некоторая часть воздуха, имеющегося во внутреннем воздуховоде 54, может проходить в лопатки-форсунки 64, как показано стрелкой 140. Как изложено более подробно ниже, воздух, который проходит в лопатки-форсунки 64, может быть смешан с топливом 14 перед введением в поток выхлопных газов 46 в камере 60 сгорания, в которой воздушно-топливная смесь сгорает с созданием предварительно нагретых сжатых газов 48, проходящих во вторую секцию 42 турбины. Предварительное перемешивание воздушно-топливной смеси перед ее введением в поток выхлопных газов 46 в камеру 60 сгорания снижает необходимость в турбулизаторах потока и другом расположенном ниже по потоку оборудовании для смешивания. Кроме того, предварительное перемешивание воздушно-топливной смеси позволяет обеспечить большую степень регулирования воздушно-топливной смеси.

[0042] Кроме того, воздух в наружном верхнем по потоку воздуховоде 52 и внутреннем верхнем по потоку воздуховоде 54 может охлаждать стенки камер 60 и 62 сгорания путем эффузионного охлаждения через наружную стенку 82 внутренней части и внутреннюю стенку 84 внутренней части, как показано стрелками 142. Подобным образом, воздух в воздуховоде 56 и воздуховоде 58 может охлаждать стенки камеры 62 сгорания путем принудительного охлаждения, как показано стрелками 144.

[0043] Более конкретно, компрессор 26 газотурбинной установки 10 подает потоки воздуха, показанные на фиг.5, при температуре, имеющейся на выходе компрессора. Воздуховоды 52, 54, 56, 58 обеспечивают использование воздуха компрессора, который, в итоге, вводится через лопатки-форсунки 64. В частности, воздух из компрессора используется для конвективного принудительного охлаждения у задней части кольцевой нижней по потоку камеры 62 сгорания, как показано стрелками 144, а также для эффузионного охлаждения (например, по типу пленочного охлаждения) в других местах, как показано стрелками 142. Внутренние поверхности камеры 62 сгорания могут быть покрыты керамическим теплоизолирующим барьерным покрытием для дополнительного улучшения эффективности наружного конвективного охлаждения. Эти типы высокоэффективного охлаждения обеспечивают создание в итоге камеры сгорания для вторичного подогрева с низким уровнем выделения продуктов сгорания. Одной из проблем обычных устройств для вторичного подогрева является создание способа эффективного использования имеющегося охлаждающего воздуха, поскольку благодаря второму устройству сгорания (например, для вторичного подогрева) увеличивается площадь поверхности, которая требует охлаждения. Однако пленочный с улучшенной конвекцией и принудительным эффузионным охлаждением способ, проиллюстрированный на фиг.5, может обеспечить улучшенное охлаждение путем использования кольцевого устройства 12 сгорания.

[0044] Фиг.6 представляет собой другой продольный разрез сужающегося-расширяющегося кольцевого канала 50. В показанном на фиг.6 варианте выполнения воздух поступает лишь в наружный нижний по потоку воздуховод 56 через наружное отверстие 122 для впуска воздуха, как показано стрелкой 124. Другими словами, воздух не поступает во внутренний нижний по потоку воздуховод 58 через отверстие 126. Подобно варианту выполнения, показанному на фиг.5, воздух, имеющийся в наружном воздуховоде 56, проходит в наружный верхний по потоку воздуховод 52, как показано стрелкой 130. Кроме того, подобно варианту выполнения, показанному на фиг.5, некоторая часть воздуха из воздуховода 52 проходит в лопатки-форсунки 64, как показано стрелкой 138.

[0045] Однако в варианте выполнения, показанном на фиг.6, некоторая часть воздуха может проходить из наружного воздуховода 52 к внутреннему нижнему по потоку воздуховоду 58, через канал 146, который проходит от наружного воздуховода 52 через внутренний верхний по потоку воздуховод 54 в воздуховод 58, как показано стрелками 148 и 150. Канал 146 может проходить через полую направляющую лопатку 152, которая проходит от наружной стенки 82 внутренней части к внутренней стенке 84 внутренней части. Направляющая лопатка 152 может направлять выхлопные газы 46, проходящие из первой турбинной секции 40, через лопатки-форсунки 64. Подобно варианту выполнения, показанному на фиг.5, воздух из внутреннего нижнего по потоку воздуховода 58 проходит во внутренний верхний по потоку воздуховод 54, как показано стрелкой 134. Кроме того, подобно варианту выполнения, показанному на фиг.5, некоторая часть воздуха из воздуховода 54 может проходить в лопатки-форсунки 64, как показано стрелкой 140.

[0046] Фиг.7 представляет собой частичный продольный разрез иллюстративного варианта выполнения кольцевого канала 50, иллюстрирующий установку лопаток-форсунок 64 в канале 50. Как показано на фиг.7, каждая лопатка-форсунка 64 установлена на место в соответствующем кольцевом канале 50 между верхней по потоку частью 68 наружной стенки 66, наружной стенкой 82 внутренней части и внутренней стенкой 84 внутренней части. В частности, в среднем сечении 154 лопатка-форсунка 64 закреплена между первой расширяющейся частью 86 и первой сужающейся частью 88 наружной стенки 82 внутренней части. Подобным образом, в дистальном сечении 156 лопатка-форсунка 64 закреплена между первой расширяющейся частью 104 и первой сужающейся частью 106 внутренней стенки 84 внутренней части. Кроме того, в проксимальном сечении 158 лопатка-форсунка 64 закреплена в верхней по потоку части 68 наружной стенки 66. Другими словами, лопатка-форсунка 64, вместо консольного закрепления в наружной стенке 66, прочно удерживается на месте в трех местах по ее длине. По существу, лопатка-форсунка 64 является более устойчивой к воздействию потока выхлопных газов 46 в камере 60 сгорания. Однако в других вариантах выполнения лопатки-форсунки 64 могут не удерживаться на месте наружной стенкой 82 и внутренней стенкой 84. Фактически, в подобных вариантах выполнения вообще могут не использоваться ни наружная, ни внутренняя стенки 82, 84 внутренней части. Вместо этого лопатки-форсунки 64 могут быть прикреплены к наружному корпусу. Кроме того, в некоторых вариантах выполнения не все лопатки-форсунки 64 могут быть одинаковой длины.

[0047] Фиг.8 представляет собой вид в аксонометрии с частичным разрезом лопатки-форсунки 64 и кольцевого канала 50, иллюстрирующий крепежные элементы, обеспечивающие удержание указанной лопатки на месте в канале 50. Как показано на чертеже, верхняя по потоку часть 68 наружной стенки 66, наружная стенка 82 внутренней части и внутренняя стенка 84 внутренней части, каждая, имеет крепежные отверстия, в которые устанавливают лопатку-форсунку 64. Более конкретно, верхняя часть 68 наружной стенки 66 имеет крепежное отверстие 160, в котором удерживается на месте проксимальное сечение 158 лопатки-форсунки 64. Подобным образом, наружная стенка 82 внутренней части имеет крепежное отверстие 162, по существу, расположенное между первой расширяющейся частью 86 и первой сужающейся частью 88 этой стенки 82. Крепежное отверстие 162 в наружной стенке 82 удерживает на месте среднее сечение 154 лопатки-форсунки 64.

Кроме того, внутренняя стенка 84 имеет крепежное отверстие 164, по существу, расположенное между первой расширяющейся частью 104 и первой сужающейся частью 106 этой стенки 84. Отверстие 164 во внутренней стенке 84 удерживает на месте дистальное сечение 156 лопатки-форсунки 64.

[0048] Как показано на фиг.8, лопатка-форсунка 64 по существу имеет две различные части. В частности, лопатка-форсунка 64 имеет в целом цилиндрическую верхнюю часть 166, расположенную между проксимальным сечением 158 и средним сечением 154, и нижнюю часть 168 с по существу аэродинамическим профилем, расположенную между средним сечением 154 и дистальным сечением 156. Несмотря на то, что нижняя часть показана с аэродинамическим профилем, она может быть любой формы, которая сводит к минимуму нарушение аэродинамических характеристик и потерю давления. Проксимальное сечение 158 является частью по существу цилиндрической верхней части 166, тогда как среднее сечение 154 и дистальное сечение 156 являются частью нижней части 168 с по существу аэродинамическим профилем. Как показано на чертеже, по существу цилиндрическое проксимальное сечение 158 удерживается на месте по существу в круглом крепежном отверстии 160, расположенном в верхней по потоку части 68 наружной стенки 66.

[0049] Однако по существу аэродинамическое среднее сечение 154 и по существу аэродинамическое дистальное сечение 156 не удерживаются на месте непосредственно по существу в круглых отверстиях соответственно 162 и 164. Вместо этого крепежные отверстия 162, 164, расположенные в наружной и внутренней стенках 82, 84 внутренней части, содержат скользящие кольцевые уплотнения, которые удерживают среднее сечение 154 и дистальное сечение 156 лопатки-форсунки 64 на месте. Более конкретно, наружное скользящее кольцевое уплотнение 170 имеет вырезанный аэродинамический профиль, в которое может быть вставлено среднее сечение 154 лопатки-форсунки 64. Кроме того, внутреннее скользящее кольцевое уплотнение 172 имеет вырезанный аэродинамический профиль, в которое может быть вставлено дистальное сечение 154 лопатки-форсунки 64. Наружное кольцевое уплотнение 170 расположено в крепежном отверстии 162 в наружной стенке 82, тогда как внутреннее кольцевое уплотнение 172 расположено в крепежном отверстии 164 во внутренней стенке 82.

[0050] По существу, лопатка-форсунка 64 может быть закреплена на месте в крепежных отверстиях 160, 162, 164. В целом, лопатка-форсунка 64 может быть заведена в канал 50 через крепежное отверстие 160 в верхней по потоку части 68 наружной стенки 66. Кроме того, поскольку, по существу, цилиндрическая верхняя часть 166 лопатки-форсунки 64 больше нижней части 168 с по существу аэродинамическим профилем, то верхняя часть 166 может препятствовать дальнейшему скольжению лопатки-форсунки 64 в канале 50 после установки на место.

[0051] Кольцевые уплотнения 170, 172 обеспечивают компенсацию тепловых деформаций, обусловленных перепадом температур между топливом, охлаждаемой воздухом лопаткой-форсункой 64 и каналом вторичного подогрева, переносящим горячие выхлопные продукты из верхней по потоку турбинной секции (например, с температурой 1700°-2000°F и выше (926°-1093°С)). При отсутствии скользящих кольцевых уплотнений 170, 172 выпускаемый компрессором воздух может неконтролируемо просачиваться вокруг лопатки-форсунки 64. Компактные сухие системы сгорания с предварительным смешиванием и низким уровнем выделения продуктов сгорания, одноступенчатые или многоступенчатые, являются полезными с точки зрения точного регулирования всех воздушных потоков в камере сгорания, включая протечки через уплотнения, такие как кольцевые уплотнения 170, 172. Соответственно, кольцевые уплотнения 170, 172 значительно способствуют эффективности лопаток-форсунок 64.

[0052] Фиг.9 представляет собой вид в аксонометрии иллюстративного варианта выполнения лопатки-форсунки 64. Как показано, лопатка-форсунка 64 около проксимального сечения 158 имеет отверстие 174 для подвода топлива. Топливо 14, подаваемое через отверстие 174, может смешиваться с воздухом внутри лопатки-форсунки 64. В частности, лопатка-форсунка 64 в верхней части 166 также имеет отверстие 176 для воздуха. Воздух из наружного верхнего по потоку воздуховода 52 проходит в отверстие 176 лопатки и смешивается с топливом 14, поступившим через отверстие 174. После предварительного смешивания воздуха с топливом воздушно-топливная смесь вводится в поток выхлопных газов 46 в камере 60 сгорания через выпускные отверстия 178, расположенные на противоположных боковых сторонах нижней части 168 лопатки-форсунки 64. Несмотря на то, что с каждой боковой стороны показано семь отверстий 178, лопатка-форсунка 64 может иметь любое количество отверстий 178. Например, лопатка-форсунка 64 на каждой стороне может иметь 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 или даже больше отверстий 178.

[0053] Фиг.10 представляет собой частичный разрез иллюстративного варианта выполнения лопатки-форсунки 64, иллюстрирующий проходящий через нее поток воздуха и топлива. Как показано на чертеже, воздух из наружного верхнего по потоку воздуховода 52 проходит через отверстие 176 в верхней части 166 лопатки-форсунки 64, как показано стрелкой 180. По существу воздух из воздуховода 52 заполняет внутренний объем 182 у задней кромки нижней части 168 лопатки-форсунки 64, как показано стрелкой 184. Как изложено выше, воздух из внутреннего верхнего по потоку воздуховода 54 также проходит через лопатку-форсунку 64. В частности, как показано стрелкой 186, воздух из воздуховода 54 проходит через дистальное сечение 156 лопатки-форсунки 64 во внутренний объем 188 у передней кромки нижней части 168 лопатки-форсунки 64. Кроме того, топливо 14, поступившее через отверстие 174, проходит через центральный внутренний объем 190, который проходит как через верхнюю, так и через нижнюю часть 166, 168 лопатки-форсунки 64, как показано стрелкой 192.

[0054] Фиг.11 и 12 представляют собой разрез и вид в аксонометрии иллюстративного варианта выполнения нижней части 168 лопатки-форсунки 64, иллюстрирующие поток воздуха и топлива, проходящий через нижнюю часть 168 лопатки-форсунки 64. Как показано на чертежах, внутренний объем 188 у передней кромки является, по существу, объемом кольцевой формы (например, объем С-образной формы), занимающим область между противоположными боковыми сторонами 194, 196 нижней части 168 лопатки-форсунки 64. В частности, наружная периферия внутреннего объема 188 ограничена передней кромкой 198 нижней части 168 лопатки-форсунки 64. Кроме того, стенка 200 внутренней части, ограничивающая центральный внутренний объем 190, через который проходит топливо, ограничивает внутреннюю периферию внутреннего объема 188. Внутренний объем 182 у задней кромки является, по существу, объемом с трехгранной формой, проходящим от противоположных боковых сторон 194, 196 к задней кромке 202 нижней части 168 лопатки-форсунки 64.

[0055] Зона нижней части 168 лопатки-форсунки 64 между боковыми сторонами 194, 196, внутренним объемом 188, внутренним объемом 182 и центральным внутренним объемом 190 являются зонами 204, 206 смешивания, внутри которых происходит смешивание воздуха и топлива перед введением в поток выхлопных газов 46 в верхней по потоку камере 60 сгорания через выпускные отверстия 178. В частности, как показано стрелками 208 и 210, топливо из центрального внутреннего объема 190 проходит в зоны 204, 206 смешивания через отверстия 212, 214 в стенке 200 внутренней части, которая ограничивает центральный внутренний объем 190. Кроме того, как показано стрелками 216 и 218, воздух из внутреннего объема 188 у передней кромки проходит в зоны 204, 206 смешивания через отверстия 220, 222 в стенках 224, 226, которые проходят от стенки 200 внутренней части к противоположным боковым сторонам 194, 196 нижней части 168 лопатки-форсунки 64. Подобным образом, как показано стрелками 228 и 230, воздух из внутреннего объема 182 у задней кромки проходит в зоны 204, 206 смешивания через отверстия 232, 234 в стенках 236, 238, которые проходят от стенки 200 внутренней части к противоположным боковым сторонам 194, 196 нижней части 168 лопатки-форсунки 64. После предварительного смешивания воздуха с топливом в зонах 204, 206 смешивания воздушно-топливная смесь через отверстия 178 вводится в поток выхлопных газов 46 в камере 60 сгорания.

[0056] Фиг.11 показывает любое из отверстий для подвода топлива в лопатке-форсунке 64, а также иллюстрирует взаимодействие выпускаемого из компрессора воздуха и потоков газообразного топлива перед введением в выхлопные газы 46. Указанное перемешивание обеспечивает более низкие температуры реакции (пламени) и низкие выделения NOx, а также задерживает реакцию топлива и воздуха до тех пор, пока воздушно-топливная смесь не выйдет из лопатки-форсунки 64 и не переместится ниже по потоку. Это обстоятельство оказывает полезное действие, так как выхлопные газы 46 могут иметь температуру 500°F (260°C) или более того, которая выше температуры самовоспламенения метана. С учетом как снижения выделений продуктов сгорания, так и увеличения надежности, пламя по существу не будет присоединяться к лопатке 64. Скорее зона реакции будет, по существу, граничить с нижней по потоку кольцевой областью камеры 62 сгорания.

[0057] Рассмотренные в данном документе варианты выполнения предусматривают полностью кольцевую схему (например, в отличие от трубчато-кольцевых систем или смесительных систем, содержащих множество отдельных смесительных каналов) вторичного подогрева выхлопных газов 46, поступающих из турбинной секции 40 газотурбинной установки 10 с помощью кольцевого устройства 12 сгорания и лопаток-форсунок 64. Благодаря, по меньшей мере частично, полностью кольцевой конструкции и отсутствию отдельных смесительных каналов в предлагаемых вариантах выполнения требуется изготовлять и обеспечивать защиту значительно меньшего количества поверхностей, требующих охлаждения. Это обстоятельство обеспечивает преимущество с точки зрения эффективности, простоты, снижения стоимости и обратного удара пламени/стабилизации пламени. Лопатки-форсунки 64 обеспечивают предварительное смешивание воздушно-топливной смеси перед ее введением непосредственно в поток выхлопных газов 46, выходящих из первой секции 40. В частности, лопатки-форсунки 64 удерживаются на месте стенками 82, 84 внутренней части кольцевого устройства 12. Благодаря указанному смешиванию в лопатках-форсунках 64 в данных вариантах выполнения не требуются турбулизаторы потока в отличие от обычных устройств для вторичного подогрева. Кроме того, так как лопатки-форсунки 64 проходят через весь поток выхлопных газов 46, можно использовать большее количество выпускных отверстий. Далее, радиальное сжатие прохода кольцевого канала 50 (например, от стенок 82, 84 внутренней части) является предпочтительным по сравнению с круговым сжатием прохода обычных устройств для вторичного подогрева.

[0058] В изложенном описании используются примеры, характеризующие данное изобретение, содержащие предпочтительные варианты выполнения, а также создающие возможность любому специалисту осуществить на практике данное изобретение, включая изготовление и использование любых устройств и установок и любых относящихся к этому способов. Объем правовой охраны данного изобретения определен в формуле изобретения, при этом он может включать другие примеры, очевидные специалистами. Подразумевается, что другие подобные примеры подпадают под объем правовой охраны формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, которые не отличаются от элементов, описанных в формуле изобретения, или если они содержат эквивалентные конструктивные элементы с несущественными отличиями от элементов, описанных в формуле изобретения.

1. Газотурбинная установка, содержащая
компрессор, выполненный с возможностью приема и сжатия рабочей текучей среды,
камеру сгорания, выполненную с возможностью приема сжатой рабочей текучей среды из компрессора и топлива и с возможностью сжигания смеси сжатой рабочей текучей среды и топлива с образованием выхлопного газа, и
турбину, имеющую первую секцию и вторую секцию и выполненную с возможностью приема выхлопного газа из камеры сгорания и использования его для вращения вала, при этом между первой и второй секциями турбины расположено кольцевое устройство сгорания для вторичного подогрева, которое содержит лопатку-форсунку для предварительного смешивания, выполненную с возможностью смешивания воздуха и топлива с созданием воздушно-топливной смеси и с возможностью введения этой смеси в выхлопной газ, поступающий из первой секции турбины.

2. Газотурбинная установка по п.1, в которой указанное кольцевое устройство сгорания содержит кольцевой канал, имеющий внутреннюю кольцевую стенку, наружную кольцевую стенку и первую и вторую стенки внутренней части, расположенные между внутренней кольцевой стенкой и наружной кольцевой стенкой, причем указанная лопатка-форсунка удерживается на месте наружной кольцевой стенкой и первой и второй стенками внутренней части кольцевого канала.

3. Газотурбинная установка по п.2, в которой указанная лопатка-форсунка имеет цилиндрическую часть и часть с аэродинамическим профилем.

4. Газотурбинная установка по п.3, в которой указанная цилиндрическая часть лопатки-форсунки имеет отверстие для впуска воздуха, предназначенное для приема воздуха из наружного воздуховода, расположенного между наружной кольцевой стенкой и первой стенкой внутренней части кольцевого канала.

5. Газотурбинная установка по п.3, в которой указанная часть с аэродинамическим профилем лопатки-форсунки имеет отверстие для впуска воздуха, предназначенное для приема воздуха из внутреннего воздуховода, расположенного между внутренней кольцевой стенкой и второй стенкой внутренней части кольцевого канала.

6. Газотурбинная установка по п.3, в которой указанная лопатка-форсунка на первой боковой стороне части с аэродинамическим профилем имеет первую группу выпускных отверстий, а на второй боковой стороне части с аэродинамическим профилем, противоположной указанной первой боковой стороне, имеет вторую группу выпускных отверстий, причем указанные первая и вторая группы выпускных отверстий предназначены для введения воздушно-топливной смеси в выхлопной газ, поступающий из первой секции турбины.

7. Установка, содержащая
кольцевое устройство сгорания для вторичного подогрева, выполненное с возможностью размещения между первой и второй секциями турбины газотурбинной установки и содержащее
кольцевой канал, имеющий внутреннюю кольцевую стенку, наружную кольцевую стенку и первую и вторую стенки внутренней части, расположенные между внутренней и наружной кольцевыми стенками, и
лопатку-форсунку для предварительного смешивания, выполненную с возможностью смешивания воздуха и топлива с созданием воздушно-топливной смеси и с возможностью введения этой смеси в поток выхлопных газов, выходящий из первой секции турбины.

8. Установка по п.7, в которой указанная лопатка-форсунка удерживается на месте наружной кольцевой стенкой, а также первой и второй стенками внутренней части кольцевого канала.

9. Установка по п.8, в которой кольцевой канал имеет первое крепежное отверстие, расположенное в первой стенке внутренней части, второе крепежное отверстие, расположенное во второй стенке внутренней части, третье крепежное отверстие, расположенное в наружной кольцевой стенке, первое скользящее кольцевое уплотнение, расположенное в первом крепежном отверстии, и второе скользящее кольцевое уплотнение, расположенное во втором крепежном отверстии, причем указанная лопатка-форсунка удерживается на месте первым скользящим кольцевым уплотнением в первом крепежном отверстии, вторым скользящим кольцевым уплотнением во втором крепежном отверстии и третьим крепежным отверстием.

10. Установка по п.8, в которой указанная лопатка-форсунка имеет цилиндрическую часть и часть с аэродинамическим профилем.

11. Установка по п.10, в которой указанная цилиндрическая часть лопатки-форсунки имеет отверстие для впуска воздуха, предназначенное для приема воздуха из наружного воздуховода, расположенного между наружной кольцевой стенкой и первой стенкой внутренней части кольцевого канала.

12. Установка по п.11, в которой указанная часть с аэродинамическим профилем лопатки-форсунки имеет внутренний объем по существу трехгранной формы, предназначенный для приема воздуха из наружного воздуховода и расположенный со стороны задней кромки указанной части с аэродинамическим профилем лопатки-форсунки.

13. Установка по п.10, в которой указанная часть с аэродинамическим профилем лопатки-форсунки имеет отверстие для впуска воздуха, предназначенное для приема воздуха из внутреннего воздуховода, расположенного между внутренней кольцевой стенкой и второй стенкой внутренней части кольцевого канала.

14. Установка по п.13, в которой указанная часть с аэродинамическим профилем лопатки-форсунки имеет внутренний объем, предназначенный для приема воздуха из внутреннего воздуховода, причем указанный по существу кольцеобразный внутренний объем расположен со стороны передней кромки указанной части с аэродинамическим профилем лопатки-форсунки.

15. Установка по п.10, в которой указанная цилиндрическая часть лопатки-форсунки имеет отверстие для подвода топлива, предназначенное для приема топлива.

16. Установка по п.15, в которой указанная лопатка-форсунка имеет цилиндрический внутренний объем, предназначенный для приема топлива и расположенный между первым внутренним объемом для воздуха, расположенным со стороны передней кромки указанной лопатки-форсунки, и вторым внутренним объемом для воздуха, расположенным со стороны ее задней кромки.

17. Установка по п.10, в которой указанная лопатка-форсунка на первой боковой стороне части с аэродинамическим профилем имеет первую группу выпускных отверстий, а на второй боковой стороне части с аэродинамическим профилем, противоположной указанной первой боковой стороне, имеет вторую группу выпускных отверстий, причем указанные первая и вторая группы выпускных отверстий предназначены для введения воздушно-топливной смеси в выхлопной газ, поступающий из камеры сгорания.

18. Установка, содержащая кольцевой канал, имеющий внутреннюю кольцевую стенку и наружную кольцевую стенку, и лопатки-форсунки, выполненные с возможностью смешивания воздуха и топлива с созданием воздушно-топливной смеси и введения этой смеси в центральную камеру, расположенную между внутренней и наружной кольцевыми стенками.

19. Установка по п.18, в которой указанные лопатки-форсунки удерживаются на месте наружной кольцевой стенкой кольцевого канала.

20. Установка по п.18, в которой каждая из указанных лопаток-форсунок содержит цилиндрическую часть и часть с аэродинамическим профилем.



 

Похожие патенты:

Способ поэтапного изменения подачи топлива при эксплуатации реактора с камерой сгорания с захваченным вихрем, имеющего, по меньшей мере, одну полость с захваченным вихрем, при этом реактор с камерой сгорания с захваченным вихрем дополнительно имеет как входное устройство для предварительного смешивания, которое обеспечивает смешивание топлива и воздуха и ввод воздушно-топливной смеси в основное впускное отверстие реактора с камерой сгорания с захваченным вихрем, так и, по меньшей мере, одно вихревое устройство для предварительного смешивания, которое обеспечивает смешивание топлива и воздуха и ввод воздушно-топливной смеси непосредственно в, по меньшей мере, одну подобную полость с захваченным вихрем в реакторе с камерой сгорания с захваченным вихрем.

Изобретение относится к горелке для газотурбинного двигателя. .

Изобретение относится к области газотурбинных двигателей и касается устройства для впрыска топливовоздушной смеси в камеру сгорания газотурбинного двигателя. .

Изобретение относится к области газотурбинных двигателей и касается устройства для впрыска топливовоздушной смеси в камеру сгорания газотурбинного двигателя. .

Изобретение относится к устройствам для подготовки бедной топливовоздушной смеси перед сжиганием в камерах сгорания газотурбинных двигателей (ГТД), работающих в составе наземных газотурбинных установок (ГТУ) различного назначения.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может использоваться в различных технологических установках, например, для нагрева воздуха в качестве агента сушки в зерносушилках, для обогрева теплиц и других сельскохозяйственных помещений.

Газотурбинный двигатель содержит компрессор, лопаточные диффузоры, канальный патрубок, кольцевую полость-ресивер, камеру сгорания, турбину. Турбина выполнена с охлаждаемым сопловым аппаратом, лопатки которого вдоль профиля пера от входной кромки имеют первую, вторую, третью и четвертую внутренние полости, соединенные с проточной частью через отверстия в пере лопатки, и перепускное устройство.

Изобретение относится к газотуроинным энергетическим установкам и транспортным двигателям наземного, морского и воздушного назначения. .

Изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания и может быть использовано на водном транспорте. .

Изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания. .

Изобретение относится к газотурбинным установкам для механического привода и для привода электрогенератора. .

Изобретение относится к двигателестроению, в том числе к мощным стационарным газотурбинным двигателям ГТД, предназначенным преимущественно для газоперекачивающих агрегатов, и может найти применение для пиковых энергетических установок в качестве привода для электрогенератора, предназначенного для выработки электроэнергии.

Изобретение относится к теплоэнергетическому машиностроению и может быть использовано в различных отраслях и на компрессорных станциях газопроводов. .

Изобретение относится к области газотурбостроения, а именно к двигателям, работающим на газообразном топливе, и может найти применение для электростанций и других потребителей.

Изобретение относится к области двигателестроения, а конкретно к высокотемпературным газотурбинным двигателям с трубчатыми или трубчато-кольцевыми стехиометрическими камерами сгорания для дальней авиации, в том числе беспилотной и, в частности, к устройству сопловых аппаратов ступеней высокотемпературных охлаждаемых газотурбинных двигателей (ГТД) с трубчатыми или трубчато-кольцевыми камерами сгорания.

Изобретение относится к области машиностроения, авиастроения, судостроения, локомотивостроения, автомобилестроения, тракторостроения и может быть использовано в качестве привода для транспортных средств автомобильного, железнодорожного, воздушного и водного транспорта, а также передвижных и стационарных электростанций малой и средней мощности и привода стационарных и самоходных механизмов и устройств.

Компрессорно-турбинный авиационный двигатель с поперечным расположением ступеней газовой турбины включает в себя входное устройство, компрессор, противоточную камеру сгорания, реактивное сопло, редуктор. Газовая турбина расположена поперечно оси двигателя. Камера сгорания расположена по оси двигателя в центре конструкции. Использование поперечного расположения газовой турбины и центральное размещение камеры сгорания позволяют значительно уменьшить массу и длину двигателя за счет уменьшения длины вала и объема корпуса камеры сгорания. Вал двигателя будет необходимо рассчитывать лишь на сжатие от газовых сил, возникающих в компрессоре, а длина вала уменьшится на величину длины турбины пропорционально. 3 ил.
Наверх