Камера сгорания газовой турбины с монтажным приспособлением для резонаторов гельмгольца
Жаровая труба камеры сгорания содержит кольцевую внутреннюю жаровую трубу, кольцевую наружную жаровую трубу, по меньшей мере, один резонатор, горловину и уплотнительное кольцо. Кольцевая наружная жаровая труба имеет множество расположенных на ней отверстий для воздуха и расположена по окружности вокруг внутренней жаровой трубы с образованием кольцевого охлаждающего пространства между внутренней жаровой трубой и наружной жаровой трубой. Резонатор присоединен к наружной жаровой трубе так, что основание резонатора отделено от наружной жаровой трубы с образованием зазора относительно внешней поверхности наружной жаровой трубы. Горловина проходит от основания резонатора сквозь внутреннюю и наружную жаровые трубы. Уплотнительное кольцо обеспечивает возможность относительного теплового расширения между внутренней и наружной жаровыми трубами вблизи горловины. Изобретение направлено на повышение надежности камеры сгорания. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к камере сгорания газовой турбины, а более конкретно к камере сгорания газовой турбины с монтажным приспособлением для резонаторов Гельмгольца.
Уровень техники, предшествующий изобретению
В камерах сгорания газотурбинных двигателей могут возникать акустические вибрации во время процесса горения при определенных условиях, вызванные нестабильностями процесса горения. В данной области техники такие высокочастотные акустические вибрации иногда называют колебаниями. Было обнаружено, что колебания отрицательно влияют на оптимальную работу газотурбинного двигателя. После возникновения колебаний они могут продолжаться до тех пор, пока не будет удален источник энергии, вызывающий колебания, или до тех пор, пока не изменятся переменные параметры системы, что переведет работу газотурбинного двигателя в не колебательный рабочий диапазон. Однако механизм того, каким образом рабочие характеристики влияют на возникновение колебаний, недостаточно понятен. Таким образом, изменение рабочих характеристик газотурбинного двигателя для устранения колебаний может быть затруднительно, поскольку трудно прогнозировать возникновение колебаний в системе с достаточной точностью. Следовательно, позитивные конструкционные средства, такие как резонатор Гельмгольца, могут быть заложены в конструкцию камеры сгорания для демпфирования высокочастотных акустических вибраций.
Резонатор Гельмгольца, в его простейшем виде, состоит из замкнутого объема (полости), содержащего воздух и соединенного с камерой сгорания, имеющей проем. Благодаря волне давления, возникающей в результате процесса сгорания, воздух нагнетается в полость, увеличивая давление внутри полости. Как только внешний источник, подающий воздух внутрь полости, исчезнет, повышенное давление в полости будет выталкивать малый объем воздуха (воздушную пробку) вблизи проема назад в камеру сгорания для выравнивания давления. Однако инерция движения воздушной пробки будет проталкивать пробку внутрь камеры сгорания на небольшое дополнительное расстояние (дальше того, что требуется для выравнивания давления), тем самым приводя к разрежению воздуха внутри полости. Низкое давление внутри полости будет теперь засасывать пробку обратно внутрь полости, тем самым вновь увеличивая давление внутри полости. Таким образом, воздушная пробка вибрирует подобно грузу на пружине из-за пружинящего эффекта воздуха внутри полости. Амплитуда колебаний этой вибрирующей воздушной пробки постепенно уменьшается из-за потерь на демпфирование и на трение. Энергия волны давления, генерируемой внутри камеры сгорания, таким образом, рассеивается благодаря резонансу внутри резонатора Гельмгольца. Рассеяние энергии оптимизируется за счет приведения в соответствие частоты резонанса резонатора Гельмгольца с акустической модой колебаний камеры сгорания. Как правило, приведение в соответствие частоты (или «настройка») резонатора Гельмгольца осуществляется путем изменения размеров полости и проема Гельмгольца.
Может быть сконструирована решетка из резонаторов Гельмгольца, используя пустое пространство между внутренней и наружной жаровыми трубами камеры сгорания, имеющей двойную стенку. Однако в таких камерах сгорания, имеющих двойную стенку, пространство между жаровыми трубами используется для подачи охлаждающего воздуха к стенкам камеры сгорания. Таким образом, размещение резонаторов Гельмгольца в этом пространстве делает их частью системы охлаждения. Наличие резонаторов Гельмгольца, являющихся частью системы охлаждения, снижает способность настройки резонаторов Гельмгольца путем изменения размеров полости и проема без отрицательного влияния на охлаждение камеры сгорания. Это ограничение снижает эффективность резонаторов Гельмгольца в процессе контроля колебаний. Таким образом, желательно располагать резонаторы Гельмгольца близко к зоне отбора тепла камеры сгорания, но независимо от системы охлаждения камеры сгорания.
Один вариант реализации резонатора Гельмгольца в камере сгорания газотурбинного двигателя описан в патенте США №761046065. В данном патенте резонаторы Гельмгольца расположены снаружи внешней жаровой трубы камеры сгорания, имеющей двойную стенку. Горловая секция, которая проходит сквозь внутреннюю и наружную жаровые трубы, сообщает полость резонатора с объемом камеры сгорания, находящимся внутри внутренней жаровой трубы. В патенте используется сварное соединение между горловой секцией резонатора и стенкой камеры сгорания для обеспечения газонепроницаемого уплотнения. Благодаря размещению резонатора Гельмгольца снаружи пространства между внутренней и наружной жаровыми трубами, полость резонатора отделяется от канала для прохода охлаждающего воздуха, расположенного между внутренней и наружной жаровыми трубами.
Хотя резонатор Гельмгольца, описанный в указанном патенте, можно настраивать без отрицательного влияния на зазор между внутренней и наружной жаровыми трубами, камера сгорания может иметь другие недостатки. К примеру, резонаторы Гельмгольца, расположенные на наружной жаровой трубе, могут отрицательно влиять на поток охлаждающего воздуха, втекающий в пространство между внутренней и наружной жаровыми трубами. Кроме того, термомеханические напряжения могут, в конце концов, привести к образованию трещин в сварных соединениях (или в прикрепленных к ним частях), которые снижают надежность камеры сгорания.
Данное изобретение направлено на устранение одного или нескольких описанных выше недостатков.
Краткое описание изобретения
В одном аспекте данного изобретения предложена жаровая труба камеры сгорания. Жаровая труба камеры сгорания может включать в себя кольцевую внутреннюю жаровую трубу и кольцевую наружную жаровую трубу с множеством отверстий для воздуха, расположенных на нее. Наружная жаровая труба может располагаться по окружности вокруг внутренней жаровой трубы, так что образуется кольцевое охлаждающее пространство между внутренней и наружной жаровыми трубами. Жаровая труба камеры сгорания может также включать в себя по меньшей мере один резонатор, присоединенный к наружной жаровой трубе, так что основание резонатора отделено от наружной жаровой трубы для образования зазора с внешней поверхностью наружной жаровой трубы. Жаровая труба камеры сгорания включает в себя горловину, проходящую от основания резонатора, пронизывающего внутреннюю жаровую трубу и наружную жаровую трубу. Жаровая труба камеры сгорания может, кроме того, включать в себя блок уплотнительных колец, который обеспечивает возможность относительного теплового расширения между внутренней жаровой трубой и наружной жаровой трубой вблизи горловины.
В еще одном аспекте данного изобретения предложен блок резонаторов для газотурбинного двигателя. Блок резонаторов может содержать кольцевой первый опорный обод, включающий в себя расположенный на нем ряд перфораций. Первый опорный обод может включать в себя форму, напоминающую усеченный конус. Блок резонаторов может также включать в себя по существу цилиндрический второй опорный обод, присоединенный к первому опорному ободу для образования приподнятой опорной конструкции для резонатора. Блок резонаторов может также включать в себя по меньшей мере один резонатор, смонтированный на втором опорном ободе, и горловину резонатора, присоединенную к по меньшей мере одному резонатору, проходящему сквозь приподнятую монтажную конструкцию. Горловина резонатора может быть предназначена для сообщения по меньшей мере одного резонатора с газотурбинным двигателем.
В еще одном аспекте данного изобретения предложен способ эксплуатации газотурбинного двигателя. Газотурбинный двигатель может включать в себя камеру сгорания, имеющую двойную стенку, с внутренней жаровой трубой, наружной жаровой трубой и кольцевым охлаждающим пространством, расположенным между внутренней и наружной жаровыми трубами. Наружная жаровая труба может включать в себя множество отверстий для воздуха, которые позволяют воздуху поступать внутрь охлаждающего пространства. Способ может включать в себя демпфирование акустических вибраций в камере сгорания с помощью по меньшей мере одного резонатора. Этот по меньшей мере один резонатор может быть присоединен к наружной жаровой трубе таким образом, что основание по меньшей мере одного резонатора выступает из внешней поверхности наружной жаровой трубы. Способ может также включать в себя обеспечение возможности относительного теплового расширения между внутренней жаровой трубой и наружной жаровой трубой вблизи горловины резонатора с помощью блока уплотнительных колец. Блок уплотнительных колец может быть предназначен для присоединения горловины к камере сгорания, в то же время обеспечивая возможность относительного теплового расширения между внутренней жаровой трубой и наружной жаровой трубой вблизи горловины.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 дан вид в разрезе примера предложенного в данном изобретении газотурбинного двигателя.
На фиг.2 дан вид в разрезе примера системы камеры сгорания газотурбинного двигателя, изображенного на фиг.1.
На фиг.3A и 3B приведены внешние виды примера системы камеры сгорания газотурбинного двигателя, изображенного на фиг.1.
На фиг.4A дан вид в разрезе резонатора Гельмгольца, присоединенного к камере сгорания газотурбинного двигателя, изображенного на фиг.1.
На фиг.4B дан вид в разрезе примера уплотнительных колец, присоединенных к стенкам камеры сгорания газотурбинного двигателя, изображенного на фиг.1.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 показан пример газотурбинного двигателя (ГТД) 100. ГТД 100 может иметь, наряду с другими системами, систему 10 компрессора, систему 20 камеры сгорания, систему 70 газовой турбины и выхлопную систему 90, расположенные продольно вдоль оси 98 двигателя. Система 10 компрессора сжимает воздух до давления нагнетания компрессора и доставляет сжатый воздух в полость 72 системы 20 камеры сгорания. Сжатый воздух затем направляется из полости 72 в один или несколько топливных инжекторов 30, расположенных внутри нее. Сжатый воздух смешивается с топливом в топливном инжекторе 30, и полученная смесь подается в камеру сгорания 50, образуя при сгорании газообразные продукты, находящиеся при высоких температуре и давлении. Эти газообразные продукты сгорания направляются к системе 70 газовой турбины. Система 70 газовой турбины извлекает энергию газообразных продуктов сгорания и направляет выхлопные газы в атмосферу с помощью выхлопной системы 90. Общее расположение компонентов газотурбинного двигателя 100, показанное на фиг.1 и описанное выше, является только примером, и камеры сгорания данного изобретения могут использоваться с любой конфигурацией и расположением газотурбинного двигателя 100.
На фиг.2 дан вид в разрезе системы 20 камеры сгорания, показывающий множество топливных инжекторов 30, сообщающихся с камерой сгорания 50. В варианте осуществления данного изобретения, показанном на фиг.2, камера сгорания 50 установлена внутри наружного кожуха 96 камеры сгорания и располагается по окружности вокруг оси 98 двигателя. Наружный кожух 96 и камера сгорания 50 образуют полость 72 между ними. Как обсуждалось со ссылкой на фиг.1, полость 72 содержит сжатый воздух, находящийся под давлением и при температуре на выходе из компрессора. Камера сгорания 50 включает в себя наружную стенку 80а и внутреннюю стенку 80b, расположенные по окружности вокруг оси 98 двигателя. Наружная и внутренняя стенки (80a, 80b) камеры сгорания соединены друг с другом у входного патрубка с помощью куполообразного обтекателя 52, образуя между ними объем 58 камеры сгорания. Объем 58 камеры сгорания представляет собой кольцевое пространство, ограниченное внутренней и наружной стенками (80a, 80b), которое проходит от обтекателя 52 к выходному патрубку вдоль оси 98 двигателя. Объем 58 камеры сгорания сообщается с системой 70 газовой турбины у выходного патрубка. Множество топливных инжекторов 30, расположенных симметрично вокруг оси 98 двигателя на обтекателе 52, направляют топливовоздушную смесь к объему 58 камеры сгорания для сжигания. Эта топливовоздушная смесь сгорает в объеме 58 камеры сгорания рядом с входным патрубком (зона сгорания), образуя газообразные продукты сгорания с высоким давлением и высокой температурой. Эти газы направляются к системе 70 газовой турбины через выходной патрубок камеры сгорания 50. Следует отметить, что общая конфигурация системы 20 камеры сгорания, описанная здесь (и показанная на фиг.2), является всего лишь примером и что возможны ее различные вариации. Поскольку эти различные конфигурации хорошо известны в данной области техники, для краткости обсуждение различных возможных конфигураций здесь не приводится.
Сгорание топливовоздушной смеси внутри объема 58 камеры сгорания нагревает стенки (80a и 80b) камеры сгорания. Для более высокой надежности и производительности желательно охлаждать эти стенки. Наружная стенка 80a камеры сгорания включает в себя внутреннюю жаровую трубу 82 и наружную жаровую трубу 84, а внутренняя стенка 80b камеры сгорания включает в себя внутреннюю жаровую трубу 92 и наружную жаровую трубу 94. Внутренние жаровые трубы 82, 92 и наружные жаровые трубы 84, 94 образуют охлаждающие пространства 74, 75 между ними. Наружные жаровые трубы 84, 94 включают в себя множество отверстий 83, 85 для воздуха, которые направляют воздух с высоким давлением из полости 72 для инжекции на внутренние жаровые трубы 82, 92 и их охлаждения. Эта технология инжекционного охлаждения стенок камеры сгорания называется в данной области техники технологией усиленного обратного охлаждения (Augmented Backside Cooled - ABC). Известно, что использование технологии АВС уменьшает выброс загрязняющих веществ в атмосферу.
Сгорание в объеме 58 камеры сгорания может также создать нестабильности, сопровождаемые колебаниями давления и акустическими колебаниями (волнами давления) внутри объема 58 камеры сгорания. Когда частоты этих колебаний накладываются друг на друга, образующиеся в результате вибрации конструкции могут повредить газотурбинный двигатель 100. Таким образом, для демпфирования этих колебаний в камере сгорания 50 установлена кольцевая структура резонаторов Гельмгольца 40 (резонаторов 40). Эти резонаторы 40 предназначены для демпфирования колебаний, которые возникают на частотах, близких к акустическим колебаниям камеры сгорания 50. Для улучшенных характеристик демпфирования эти резонаторы 40 могут быть установлены на входном патрубке камеры сгорания 50 (т.е. в зоне горения объема 58 камеры сгорания). Ряд резонаторов 40 присоединен к наружной жаровой трубе 84 наружной стенки 80а камеры сгорания и сообщается с объемом 58 камеры сгорания. Любой тип резонатора, известный в данной области техники, может быть использован в качестве резонаторов 40. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения резонаторы 40 могут включать в себя продувочные отверстия (не показаны), позволяющие охлаждающему воздуху втекать в резонаторы 40.
Эти резонаторы 40 прикреплены к наружной жаровой трубе 84 таким образом, что отверстия 83 для воздуха наружной жаровой трубы 84, расположенные в зоне крепления, не блокируются. Блокирование этих отверстий 83 для воздуха может препятствовать втеканию сжатого воздуха в охлаждающее пространство 74 и его инжекции в зону внутренней жаровой трубы 82 вблизи заблокированных отверстий. Поскольку резонаторы 40 расположены в зоне горения камеры сгорания 50, блокирование отверстий 83 для воздуха в этой зоне может привести к неприемлемому повышению температуры внутренней жаровой трубы 82 в зоне горения. Чтобы предотвратить блокирование отверстий 83 для воздуха в зоне крепления, резонаторы 40 монтируют выступающими из внешней поверхности наружной жаровой трубы 84 таким образом, чтобы имелся зазор между основанием 40a (показанным на фиг.4A) резонаторов 40 и внешней поверхностью наружной жаровой трубы 84.
На фиг.3A и 3B показаны виды внешней поверхности наружной жаровой трубы 84 с рядом прикрепленных на ней резонаторов 40. На фиг.3A показан вид внешней поверхности с системой 10 компрессора, расположенной слева, и системой 70 газовой турбины, расположенной справа, а на фиг.3B показан вид с системой 70 газовой турбины, расположенной слева, и системой 10 компрессора, расположенной справа. Как видно на фиг.3A и 3B, резонаторы 40 смонтированы на камере сгорания 50 таким образом, что существует зазор 62 между основанием резонаторов 40 и внешней поверхностью наружной жаровой трубы 84. Резонаторы 40 могут быть прикреплены к камере сгорания 50 с помощью монтажного приспособления, которое предназначено для обеспечения этого зазора 62 между резонаторами 40 и наружной жаровой трубой 84. В варианте осуществления данного изобретения, показанном на фиг.3A и 3B, это монтажное приспособление включает в себя два расположенных по окружности опорных обода - первый опорный обод 64 и второй опорный обод 68, расположенные на наружной жаровой трубе 84 для обеспечения приподнятой монтажной поверхности для резонаторов 40. Эти расположенные по окружности опорные обода могут быть прикреплены к наружной жаровой трубе 84 при помощи сварки или с помощью любых других методов крепления, известных в данной области техники.
Первая опорный обод 64 (виден на фиг.3A) представляет собой компонент, имеющий форму, напоминающую полый усеченный конус. Первый опорный обод 64 может включать в себя первый конец 64b, имеющий диаметр, по существу равный внешнему диаметру наружной жаровой трубы 84 (или немного больше этого диаметра). Первый опорный обод 64 может также включать в себя противоположный второй конец 64c, имеющий диаметр, больший, чем диаметр первого конца 64b, на двойную толщину зазора 62. Между первым концом 64b и вторым концом 64c первый опорный обод 64 включает в себя множество проемов 64a. Это множество проемов 64a может быть расположено по окружности вокруг первого опорного обода 64 и может быть предназначено для обеспечения протекания воздуха через них. Проемы 64а позволяют воздуху из полости 72 поступать в зазор 62 между вторым опорным ободом 68 и наружной жаровой трубой 84. Из зазора 62 этот охлаждающий воздух может поступать в охлаждающее пространство 74 через не закупоренные отверстия 83 для воздуха, расположенные под вторым опорным ободом 68. Этот охлаждающий воздух может инжектироваться на внутреннюю жаровую трубу 82 в зоне горения и охлаждать ее. Толщина зазора 62, количество и размер проемов 64а могут быть подобраны таким образом, чтобы обеспечить достаточный поток охлаждающего воздуха внутрь охлаждающего пространства 74. В варианте осуществления данного изобретения, показанном на фиг.3A и 3B, толщина зазора 62 может составлять от 1/4 дюйма (6,35 мм) до 1 дюйма (25,4 мм), а количество проемов 64a может быть около 80. Считается, что проемы 64a этой конфигурации позволяют обеспечить достаточное охлаждение внутренней жаровой трубы 82. В общем случае, приблизительно 20-150 отверстий размером от 1/4 дюйма (6,35 мм) до 1 дюйма (25,4 мм) могут быть расположены по окружности на первом опорном ободе 64. Второй конец 64с первого опорного обода 64 может быть прикреплен ко второму опорному ободу 68.
Второй опорный обод 68 представляет собой компонент, имеющий форму, напоминающую полый цилиндр, и может включать в себя третий конец 68b, который прикреплен ко второму концу 64с первого опорного обода 64. Второй опорный обод 68 может также включать в себя противоположный четвертый конец 68c, который проходит вдоль оси 98 двигателя на длину 68a. Четвертый конец 68c может быть прикреплен к внешней поверхности наружной жаровой трубы 84 с помощью множества кронштейнов 66 таким образом, что образуется кольцевой зазор 62 между вторым опорным ободом 68 и внешней поверхностью наружной жаровой трубы 84. Второй опорный обод 68 может иметь диаметр, больший, чем диаметр внешней поверхности наружной жаровой трубы, приблизительно на двойную толщину зазора 62. Второй опорный обод 68 может обеспечивать монтажную поверхность для резонаторов 40, которая отстоит от наружной жаровой трубы 84 на величину зазора 62. Между третьим концом 68b и четвертым концом 68c второй опорный обод 68 может включать в себя проемы (видны на фиг.4A), которые позволяют резонаторам 40 сообщаться с объемом 58 камеры сгорания. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения второй опорный обод 68 может также включать в себя дополнительные проемы, которые позволяют воздуху из полости 72 поступать в зазор 62.
В общем случае первый опорный обод 64, второй опорный обод 68 и кронштейны 66 могут быть изготовлены из любого материала, такого как нержавеющая сталь, сплавы на основе никеля и т.д. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения эти компоненты могут быть изготовлены из того же материала, что и наружная жаровая труба 84. Следует отметить, что описание первого опорного обода 64, второго опорного обода 68 и кронштейнов 66 приведено лишь в качестве примера, и разнообразные модификации могут быть сделаны в этих компонентах без отхода за рамки объема данного изобретения. Следует также отметить, что хотя компоненты конкретного монтажного приспособления (которое включает в себя первый опорный обод 64, второй опорный обод 68 и кронштейны 66) рассмотрены здесь, резонаторы 40 могут крепиться к камере сгорания 50 с помощью альтернативных монтажных приспособлений, которые не перегораживают поток воздуха в охлаждающее пространство 74 между жаровыми трубами через отверстия 83 для воздуха в зоне крепления резонаторов. К примеру, в этих вариантах осуществления данного изобретения первый опорный обод 64, второй опорный обод 68 и кронштейны 66 могут быть объединены для образования единой расположенной по окружности части, которая крепится к наружной жаровой трубе 84.
На фиг.4A показан вид в разрезе резонатора 40, прикрепленного к камере сгорания 50. Как можно видеть на фиг.4A, резонатор 40 смонтирован на наружной жаровой трубе 84 таким образом, что обеспечивается зазор 62 между основанием 40a резонатора 40 и внешней поверхностью наружной жаровой трубы 84. Кроме того, отверстия 64a в первом опорном ободе 64 и пространство между кронштейнами 66 позволяют сжатому воздуху из полости 72 поступать в зазор 62 между резонатором 40 и наружной жаровой трубой 84. Этот сжатый воздух продолжает протекать в охлаждающее пространство 74 через отверстия 83 для воздуха для инжекции на внутреннюю жаровую трубу 82 и ее охлаждения.
Резонаторы 40 включают в себя полость 42, которая сообщается с объемом 58 камеры сгорания для демпфирования вынужденных колебаний, которые возникают в объеме 58 камеры сгорания. Общее назначение резонатора хорошо известно в данной области техники и, соответственно, не будет описано в настоящем документе. Полость 42 резонатора может быть сообщена с объемом 58 камеры сгорания с помощью горловины 44 резонатора. Горловина 44 может представлять собой цилиндрический канал, который проходит от основания 40a резонатора 40, чтобы проникнуть сквозь внутреннюю и наружную жаровые трубы 82, 84 наружной стенки 80a камеры сгорания. Во время работы газотурбинного двигателя 100 температура внутренней жаровой трубы 82 вблизи горловины 44 будет приблизительно равна температуре пламени в объеме 58 камеры сгорания, а температура наружной жаровой трубы вблизи горловины 44 будет приблизительно равна температуре воздуха в полости 72 (температуре на выходе компрессора). Поскольку может существовать большая разница между этими двумя температурами, может быть, соответственно, большая разница в тепловом расширении между внутренней и наружной жаровыми трубами 82, 84 вблизи горловины 44. Если препятствовать расширению внутренней и наружной жаровых труб 82, 84 в этой зоне в различной степени в результате разных температур, это может привести к возникновению в них больших термомеханических напряжений. Поскольку горловина 44 проникает сквозь две жаровые трубы для сообщения полости 42 резонатора с объемом 58 камеры сгорания, горловина 44 может соединять зону наружной жаровой трубы 84 (зону, сквозь которую проходит горловина) с зоной внутренней жаровой трубы 82 (зоной, сквозь которую проходит горловина) и ограничить относительное тепловое расширение/сжатие между этими зонами внутренней и наружной жаровых труб 82, 84. Ограничение относительного теплового расширения внутренней и наружной жаровых труб вблизи зоны, сквозь которую проходит горловина 44, может вызвать большие термомеханические напряжения в горловине 44 и внутренней и наружной жаровых трубах 82, 84. Для компенсации относительного теплового расширения между внутренней и наружной жаровыми трубами, не вызывая при этом больших напряжений в горловине 44 и стенке камеры сгорания, скользящие уплотнительные кольца 76, 86 предусмотрены в местах, где горловина 44 проникает сквозь внутреннюю и наружную жаровые трубы 82, 84. Скользящие уплотнительные кольца 76, 86 также обеспечивают возможность относительного смещения между горловиной 44 и внутренней и наружной жаровыми трубами 82, 84 в осевом направлении (направлении вдоль длины горловины 44). Это осевое относительное смещение позволяет горловине 44 свободно расширяться/сжиматься в осевом направлении (вдоль длины горловины 44) в результате различных температур в различных зонах горловины 44. Кроме того, эта способность осевого относительного смещения между горловиной и жаровыми трубами может позволить внутренней жаровой трубе 82 радиально расширяться (или выпячиваться) в результате увеличения давления в объеме 58 камеры сгорания без возникновения напряжений в горловине или жаровых трубах.
Скользящие уплотнительные кольца 76, 86 могут включать в себя первое скользящее уплотнительное кольцо 76, расположенное между горловиной 44 и наружной жаровой трубой 84, и второе скользящее уплотнительное кольцо 86, расположенное между горловиной 44 и внутренней жаровой трубой 82 соответственно. Первое и второе скользящие уплотнительные кольца 76, 86 могут включать в себя компоненты, которые совместно могут быть предназначены для компенсации различия в тепловом расширении между внутренней и наружной жаровыми трубами 82, 84, без возникновения больших напряжений в горловине 44 и жаровых трубах. Эти кольцевые уплотнения могут включать в себя материалы, такие же, как материалы изготовления жаровой трубы, или могут включать в себя другие материалы. На фиг.4B схематически показан вид в разрезе первого и второго уплотнительных колец 76, 86. В последующем описании ссылка будет сделана на обе фиг.4A и 4B. Первое скользящее уплотнительное кольцо 76 может включать в себя первую часть 76a, а второе скользящее уплотнительное кольцо 86 может включать в себя третью часть 86a, которые присоединены к наружной жаровой трубе 84 и внутренней жаровой трубе 82 соответственно. Первая часть 76a и третья часть 86a могут включать в себя кольцеобразный компонент, имеющий по существу L-образную форму поперечного сечения. Одно плечо 176a по существу L-образного поперечного сечения первой части 76a может быть прикреплено к наружной жаровой трубе 84, а другое плечо 276a может проходить по существу перпендикулярно к ней. Аналогично этому, одно плечо 186a по существу L-образного поперечного сечения третьей части 86a может быть прикреплено к внутренней жаровой трубе 82, а другое плечо 286a может проходить по существу перпендикулярно к ней. Первое скользящее уплотнительное кольцо 76 может также включать в себя по существу цилиндрическую вторую часть 76b, имеющую по существу L-образное поперечное сечение. Одно плечо 176b второй части 76b может быть с возможностью скольжения присоединено к горловине 44, а другое плечо может проходить по существу перпендикулярно к ней. Второе уплотнительное кольцо 86 может включать в себя кольцеобразную четвертую часть 86b, имеющую по существу L-образное поперечное сечение. Одно плечо 286b четвертой части 86b может быть с возможностью скольжения присоединено к плечу 186a третьей части 86a, а другое плечо может проходить по существу перпендикулярно к ней.
Для соединения резонатора 40 с камерой сгорания 50 резонатор 40 может быть установлен на втором опорном ободе 68 таким образом, что горловина 44 резонатора 40 проходит внутрь объема 58 камеры сгорания через проемы 82a и 84a внутренней и наружной жаровой трубы соответственно. В этой ориентации основание 40a резонатора 40 жестко прикреплено к поверхности второго опорного обода 68. Когда резонатор 40 установлен таким образом, плечо 276b второй части 76b может с возможностью скольжения сопрягаться с плечом 176a первой части 76a первого скользящего уплотнительного кольца 76, а плечо 186b четвертой части 86b может с возможностью скольжения сопрягаться с плечом 176b второй части 76b. Крепежный колпачок 78a прикреплен поверх первой части 76а и второй части 76b первого скользящего уплотнительного кольца 76, чтобы по существу газонепроницаемо прикрепить эти компоненты друг к другу. Крепежный колпачок 78a может также включать в себя по существу L-образную форму поперечного сечения. Для соединения первой части 76a со второй частью 76b одно плечо 278a крепежного колпачка 78a может включать в себя крепежные приспособления, например резьбу, которая сопрягается с соответствующими крепежными приспособлениями на плече 276a на внешней поверхности первой части 76a. Второе скользящее уплотнительное кольцо 86 может также включать в себя аналогичный крепежный колпачок 88a, который по существу газонепроницаемо соединяет третью часть 86a и четвертую часть 86b второго скользящего уплотнительного кольца 86 друг с другом. После выполнения крепления плечи 276b и 276a первого скользящего уплотнительного кольца 76 включают в себя первый зазор 76c, а плечи 286b и 286a второго скользящего уплотнительного кольца 86 включают в себя второй зазор 86c, которые предназначены для компенсации различия относительного теплового расширения между внутренней и наружной жаровыми трубами 82, 84 без образования больших напряжений на горловине 44 и жаровых трубах (внутренней жаровой трубе 82 и наружной жаровой трубе 84). Для компенсации различного теплового расширения внутренняя жаровая труба 82 может расширяться для увеличения или уменьшения второго зазора 86c, а наружная жаровая труба 84 может расширяться для увеличения или уменьшения первого зазора 76c без образования термомеханических напряжений в компонентах, которые соединены друг с другом. Таким образом, скользящие уплотнительные кольца 76, 86 обеспечивают возможность относительного теплового расширения между внутренней жаровой трубой и наружной жаровой трубой вблизи горловины. Скользящее соединение горловины с жаровыми трубами также обеспечивает возможность осевого относительного смещения между горловиной и жаровыми трубами для компенсации изменений в длине горловины, вызванных перепадом температур. Обеспечение возможности этих относительных смещений предотвращает образование термомеханических напряжений в жаровых трубах и горловине.
Следует отметить, что конструкция первого и второго скользящих уплотнительных колец 76, 86, описанная выше, является всего лишь примером, и другие варианты осуществления данного изобретения могут включать в себя уплотнительные кольца, имеющие другую конструкцию. В общем случае, любое уплотнительное кольцо, которое позволяет внутренней и наружной жаровым трубам 82, 84 расширяться в различной степени без образования значительных напряжений в компонентах резонатора и стенки камеры сгорания, и в то же время газонепроницаемо присоединить резонатор к камере сгорания, может быть использовано для присоединения резонаторов 40 к наружной жаровой трубе 84.
Предложенная в данном изобретении камера сгорания газовой турбины с монтажным приспособлением для резонаторов Гельмгольца может использоваться в любом приложении, где резонаторы Гельмгольца применяются без отрицательного влияния на охлаждение жаровых труб камеры сгорания. Работа газотурбинного двигателя с предложенной в данном изобретении камерой сгорания, имеющей монтажное приспособление для резонаторов Гельмгольца, будет объяснена ниже.
Ряд резонаторов 40 может быть установлен на монтажном приспособлении (которое включает в себя первый опорный обод 64, второй опорный обод 68 и кронштейны 66) и сообщен с камерой сгорания 50 таким образом, что имеется зазор между основанием резонаторов 40 и внешней поверхностью наружной жаровой трубы 84. Во время работы воздух может засасываться в газотурбинный двигатель 100 и сжиматься с помощью системы 10 компрессора (см. фиг.1). Этот сжатый воздух может направляться в полость 72 и оттуда в камеру сгорания 50 с помощью топливных инжекторов, установленных в ней. Воздух из полости 72 может также направляться в охлаждающее пространство 74, расположенное между внутренней и наружной жаровыми трубами 82, 84 камеры сгорания 50 для инжекции на внутреннюю жаровую трубу 82 и ее охлаждения. Монтажное приспособление, которое соединяет резонаторы 40 с камерой сгорания 50, может быть таким, чтобы поток воздуха в охлаждающее пространство 74 через отверстия 83 для воздуха наружной жаровой трубы 84 не был заблокирован. Резонаторы 40 могут быть также присоединены к камере сгорания 50 таким образом, чтобы уплотнительные кольца (первое скользящее уплотнительное кольцо 76 и второе скользящее уплотнительное кольцо 86) были установлены между горловиной 44 резонатора 40, которая проникает сквозь жаровые трубы и внутреннюю и наружную жаровые трубы 82, 84. Эти уплотнительные кольца позволяют внутренней и наружной жаровым трубам 82, 84 расширяться в различной степени без образования значительных термомеханических напряжений в горловине и жаровых трубах камеры сгорания, в то же время газонепроницаемо соединяя резонатор с камерой сгорания.
Поскольку резонаторы 40 и монтажное приспособление этих резонаторов 40 не блокируют отверстия 83 для воздуха в наружной жаровой трубе 84, на охлаждение камеры сгорания не оказывается отрицательное влияние из-за наличия резонаторов 40. Кроме того, поскольку крепление между резонаторами 40 и стенкой 80а камеры сгорания обеспечивает возможность различного теплового расширения между слоями стенки 80a камеры сгорания, термомеханические напряжения, возникающие в этих компонентах, сведены к минимуму.
Для специалистов в данной области техники будет очевидно, что различные модификации и вариации могут быть сделаны в предложенной в данном изобретении камере сгорания с монтажным приспособлением для резонаторов Гельмгольца. Другие варианты осуществления данного изобретения будут очевидны для специалистов в данной области техники в результате рассмотрения настоящего технического описания и практики использования предложенной камеры сгорания. Предполагается, что настоящее техническое описание и примеры должны рассматриваться только в качестве примеров, и истинный объем данного изобретения определен пунктами прилагаемой формулы изобретения и их эквивалентами.
1. Жаровая труба камеры сгорания, содержащая
- кольцевую внутреннюю жаровую трубу (82, 92),
- кольцевую наружную жаровую трубу (84, 94), имеющую множество расположенных на ней отверстий (83, 85) для воздуха и расположенную по окружности вокруг внутренней жаровой трубы с образованием кольцевого охлаждающего пространства (74, 75) между внутренней жаровой трубой и наружной жаровой трубой,
- по меньшей мере, один резонатор (40), присоединенный к наружной жаровой трубе так, что основание (40a) резонатора отделено от наружной жаровой трубы с образованием зазора (62) относительно внешней поверхности наружной жаровой трубы,
- горловину (44), проходящую от основания резонатора сквозь внутреннюю и наружную жаровые трубы, и
- уплотнительное кольцо (76, 78), обеспечивающее возможность относительного теплового расширения между внутренней и наружной жаровыми трубами вблизи горловины(44).
2. Жаровая труба по п.1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одно из множества отверстий для воздуха на наружной жаровой трубе расположено ниже основания, по меньшей мере, одного резонатора, который присоединен к наружной жаровой трубе так, что поток воздуха в охлаждающее пространство через это отверстие для воздуха не заблокирован.
3. Жаровая труба по п.1, отличающаяся тем, что содержит множество резонаторов, расположенных по окружности вокруг внешней поверхности наружной жаровой трубы.
4. Жаровая труба по п.1, отличающаяся тем, что содержит монтажное приспособление (64, 66, 68) резонатора, предназначенное для присоединения по меньшей мере одного резонатора к наружной жаровой трубе и включающее в себя проемы, обеспечивающие втекание воздуха внутрь зазора.
5. Жаровая труба по п.4, отличающаяся тем, что монтажное приспособление включает в себя, по меньшей мере, два кольцевых опорных обода (64, 68), расположенных по окружности вокруг наружной жаровой трубы.
6. Жаровая труба по п.4, отличающаяся тем, что монтажное приспособление включает в себя первый опорный обод (64), который имеет форму усеченного конуса и присоединен первым концом (64b) к наружной жаровой трубе и который включает в себя множество проемов (64а), обеспечивающих втекание воздуха внутрь зазора.
7. Жаровая труба по п.4, отличающаяся тем, что монтажное приспособление включает в себя цилиндрический второй опорный обод (68), расположенный вокруг наружной жаровой трубы с образованием зазора.
8. Способ эксплуатации газотурбинного двигателя (100), включающего в себя камеру сгорания (50) с двойной стенкой с внутренней жаровой трубой (82, 92), наружной жаровой трубой (84, 94) и кольцевым охлаждающим пространством (74, 75) между ними, причем наружная жаровая труба включает в себя множество отверстий (83, 85) для воздуха, которые позволяют воздуху втекать внутрь охлаждающего пространства, включающий в себя этапы, на которых осуществляют
- демпфирование акустических вибраций в камере сгорания с помощью, по меньшей мере, одного резонатора (40), который присоединен к наружной жаровой трубе так, что его основание (40а) расположено выступающим из внешней поверхности наружной жаровой трубы, и
- обеспечивают возможность различного теплового расширения между внутренней жаровой трубой и наружной жаровой трубой вблизи горловины (44) резонатора с помощью блока (76, 78) уплотнительных колец, который предназначен для присоединения горловины к камере сгорания с возможностью различного теплового расширения между внутренней жаровой трубой и наружной жаровой трубой вблизи горловины.
9. Способ по п.8, отличающийся тем, что множество отверстий для воздуха на наружной жаровой трубе включает в себя по меньшей мере одно отверстие для воздуха, расположенное ниже основания по меньшей мере одного резонатора, а демпфирование акустических вибраций осуществляют путем затекания воздуха внутрь охлаждающего пространства через по меньшей мере одно отверстие для воздуха.
10. Способ по п.8, отличающийся тем, что внутренняя жаровая труба включает в себя первое скользящее уплотнительное кольцо (86) блока уплотнительных колец, наружная жаровая труба включает в себя второе уплотнительное кольцо (76) блока уплотнительных колец, при этом обеспечение возможности различного теплового расширения осуществляют путем возможности наружной жаровой трубы расширяться на первую величину внутрь первого скользящего уплотнительного кольца и обеспечения возможности внутренней жаровой трубы расширяться на отличную от нее вторую величину внутрь второго скользящего уплотнительного кольца.
