Усовершенствованная группа отверстий футеровок камеры сгорания газотурбинного двигателя с низкими динамикой горения и выделениями

Авторы патента:


 


Владельцы патента RU 2582378:

СИМЕНС АКЦИЕНГЕЗЕЛЛЬШАФТ (DE)

Камера сгорания для газовой турбины содержит внутренний корпус и наружный корпус. Внутренний корпус содержит внутренний стеночный элемент, который содержит группу первых отверстий и группу вторых отверстий. Внутренний стеночный элемент охватывает объем горения камеры сгорания. Группа первых отверстий содержит первые отверстия, через которые протекает текучая среда и которые расположены в первой поверхностной плотности. Группа вторых отверстий содержит вторые отверстия, через которые протекает текучая среда и которые расположены во второй поверхностной плотности. Первая поверхностная плотность отличается от второй поверхностной плотности. Наружный корпус содержит наружный стеночный элемент, который содержит группу дополнительных первых отверстий и группу дополнительных вторых отверстий. Наружный стеночный элемент наружного корпуса, по меньшей мере, частично охватывает внутренний стеночный элемент внутреннего корпуса, так что между внутренним стеночным элементом и наружным стеночным элементом образуется зазор. Группа дополнительных первых отверстий содержит дополнительные первые отверстия, через которые протекает текучая среда и которые расположены в дополнительной первой поверхностной плотности. Группа дополнительных вторых отверстий содержит дополнительные вторые отверстия, через которые протекает текучая среда и которые расположены в дополнительной второй поверхностной плотности. Дополнительная первая поверхностная плотность отличается от дополнительной второй поверхностной плотности. Изобретение направлено на создание камеры сгорания с пониженными нестабильностями горения и меньшими выделениями. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к корпусу для камеры сгорания для газовой турбины и к способу изготовления камеры сгорания газовой турбины.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В области технологии газовой турбины целью является понизить производство загрязнителей окружающей среды, как, например, различных оксидов азота (NOx), моноксида углерода (СО) и несгоревших углеводородов (UHC), поэтому целью является достичь надежного и стабильного процесса сжигания бедной топливной смеси в камере сгорания газовой турбины.

Для того чтобы обеспечить процесс сжигания бедной топливной смеси, больше воздуха направляется в особенной близости к переднему торцу камеры сгорания (где процесс горения инициирован), чтобы быть смешанным с топливом в горелке. Это достигается посредством восстановления равновесия эффективных площадей, то есть накопленной площадью отверстия жаровой трубы и накопленной площадью отверстий горелки, то есть завихрителя. Однако, направляя большой поток воздуха через передний торец, камера сгорания способствует нестабильности горения, что является присущей проблемой, связанной со сжиганием бедной топливной смеси.

Для того чтобы демпфировать нестабильности горения и в особенности динамику горения внутри камеры сгорания, стеночные элементы корпуса в камере сгорания снабжены отверстиями, через которые имеет место обмен газа.

В GB 2309296 А раскрывается камера сгорания газотурбинного двигателя, в которой камера сгорания содержит внутреннюю стенку камеры сгорания и наружную стенку камеры сгорания. В стенке камеры сгорания образованы демпфирующие отверстия. Демпфирующие отверстия расположены равномерно через секцию стенки, то есть демпфирующие отверстия имеют одинаковые расстояния между собой.

В ЕР 1104871 А1 раскрывается камера сгорания для газотурбинного двигателя, в которой камера сгорания представляет собой камеру сгорания с двойной стенкой. Внутренняя стенка и наружная стенка камеры сгорания с двойной стенкой содержат отверстия для эффузии для того, чтобы обеспечить инжекционное охлаждение. Отверстия для эффузии равномерно распределены через эффективную внутреннюю стенку или наружную стенку.

В ЕР 1321713 А2 раскрывается усовершенствованная жаровая труба камеры сгорания газовой турбины. Охлаждающий воздух направляется через отверстия соответствующих стенок жаровой трубы.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является создание камеры сгорания с пониженными нестабильностями горения и меньшими выделениями.

Эта задача может быть решена посредством корпуса для камеры сгорания для газовой турбины, посредством камеры сгорания для газовой турбины и посредством способа изготовления камеры сгорания для газовой турбины в соответствии с независимыми пунктами формулы изобретения.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения представлен корпус для камеры сгорания для газовой турбины. Корпус содержит элемент стенки, который содержит группу первых отверстий и группу вторых отверстий. Группа первых отверстий содержит первые отверстия, через которые протекает текучая среда первых отверстий. Группа первых отверстий дополнительно содержит первую поверхностную плотность первых отверстий. Группа вторых отверстий содержит вторые отверстия, через которые протекает текучая среда вторых отверстий. Группа вторых отверстий дополнительно содержит вторую поверхностную плотность вторых отверстий. Первая поверхностная плотность отличается от второй поверхностной плотности.

В соответствии с дополнительными аспектами настоящего изобретения представлена камера сгорания для газовой турбины. Камера сгорания содержит внутренний корпус, который содержит признаки описанного выше корпуса, и наружный корпус, который может также содержать признаки описанного выше корпуса. Наружный стеночный элемент наружного корпуса, по меньшей мере, частично охватывает внутренний стеночный элемент внутреннего корпуса, так что между внутренним стеночным элементом и дополнительным наружным стеночным элементом образуется зазор.

Термин «внутренний» и «наружный» относятся к относительному положению, то есть внутренним и наружным стеночным элементам по отношению к расстоянию между элементом стенки и объемом пламени в камере сгорания. Центральная ось камеры сгорания может быть линией симметрии (например, образованной цилиндрически) камеры сгорания (как, например, камера сгорания типа жаровой трубы), то есть проходящей через район пламени или она может быть, например, параллельной или даже совпадающей с центральной линией ротора газовой турбины (как, например, кольцевая камера сгорания).

В соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения предусмотрен способ изготовления камеры сгорания газовой турбины. В соответствии со способом, группа первых отверстий, которая содержит первые отверстия, образована во внутреннем стеночном элементе внутреннего корпуса, в котором через первые отверстия протекает текучая среда и в котором группа первых отверстий содержит первую поверхностную плотность первых отверстий. Дополнительно, в соответствии со способом, группа вторых отверстий, которая содержит вторые отверстия, образована во внутреннем стеночном элементе, в котором через вторые отверстия протекает текучая среда и в котором группа вторых отверстий содержит вторую поверхностную плотность вторых отверстий. Первая поверхностная плотность отличается от второй поверхностной плотности.

Термин «поверхностная плотность» (поверхностная плотность) определяет число отверстий на единицу площади. Если, например, две примыкающих группы отверстий содержат различную поверхностную плотность, каждая из примыкающих групп отверстий содержит различное число отверстий. Это приводит в результате к неравномерному распределению отверстий через соответствующие группы отверстий.

Следовательно, посредством настоящего изобретения элемент стенки корпуса для камеры сгорания содержит группу первых отверстий с первой поверхностной плотностью и группу вторых отверстий со второй поверхностной плотностью. Следовательно, отверстия элемента стенки распределены неравномерно и особенно приспособлены к соответствующим характеристикам потока соответствующей текучей среды, которая протекает вдоль элемента стенки.

Корпус для камеры сгорания газовой турбины может быть внутренним корпусом, который окружает, например, объем сгорания камеры сгорания. Корпус может дополнительно быть наружным корпусом, который частично окружает внутренний корпус. Следовательно, посредством применения внутреннего корпуса и наружного корпуса, камера сгорания с двойными стенками или сдвоенными стенками (то есть, сдвоенной поверхностной футеровкой) может быть образована. Между внутренним корпусом и наружным корпусом может существовать зазор. Текучая среда, например, охлаждающая жидкость/газ, которая протекает вдоль наружного стеночного элемента, может входить через первые и вторые отверстия наружного стеночного элемента в зазор для целей охлаждения. Текучая среда может дополнительно протекать из зазора через первые и вторые отверстия внутреннего стеночного элемента в пространство горения камеры сгорания для целей охлаждения.

Внутренняя стенка внутреннего корпуса сдвоенной поверхностной футеровки охватывает объем активного горения камеры сгорания. Вокруг внутреннего корпуса и, следовательно, вокруг объема активного горения, наружная стенка наружного корпуса окружает внутреннюю стенку такой сдвоенной поверхностной футеровки таким образом, что обеспечен зазор. Следовательно, зазор также окружает объем активного горения. Поток охлаждающей текучей среды протекает через соответствующие отверстия наружной стенки в зазор. Охлаждающая текучая среда протекает дополнительно из зазора между двумя стеночными элементами через отверстия внутренней стенки в объем активного горения камеры сгорания.

Следовательно, посредством традиционного подхода к камере сгорания, отверстия стеночных элементов корпусов для камеры сгорания распределены равномерно. В традиционных подходах группа первых отверстий и группа вторых отверстий содержат одну и ту же поверхностную плотность соответствующих отверстий. В соответствии с настоящим изобретательским подходом настоящего изобретения отверстия распределены неравномерно в (наружном и внутреннем) корпусе камеры сгорания. Посредством этого распределение отверстий может быть приспособлено и подогнано к параметрам потока (сгоревшей) текучей среды камеры сгорания и параметрам потока охлаждающего газа. Посредством этого динамика горения внутри камеры сгорания может быть понижена. Следовательно, в результате получается более долгий срок службы корпуса и других компонентов сгорания, благодаря, например, понижению колебания температурного профиля у стеночных элементов. Кроме того, посредством пониженной динамики горения секций стенок, эффективность турбины и рабочая температура турбины могут быть повышены без воздействия на срок службы корпуса камеры сгорания. Следовательно, также выделения азота (NOx) могут быть понижены, например, посредством работы газовой турбины со сжиганием бедной топливной смеси, то есть более низкого расщепления первоначального топлива внутри газовой турбины. Таким образом, посредством распределения отверстий неравномерным образом и посредством расположения рисунка отверстий в соответствующей группе отверстий, камера сгорания может работать при более низких выделениях азота (NOx), потому что, например, больше воздуха может быть подано в процесс горения для обеспечения сжигания бедной топливной смеси. Кроме того, температура пламени понижается благодаря сжиганию бедной топливной смеси.

В соответствии с дополнительным примером осуществления, элемент стенки образован для, по меньшей мере, частичного простирания вдоль периферийного направления вокруг центральной оси камеры сгорания. Обычно, камера сгорания образована цилиндрически (или конически). Центральная ось образует, например, симметричную ось камеры сгорания, например. В соответствии с дополнительным примером осуществления, первые отверстия группы первых отверстий образованы в элементе стенки друг за другом вдоль периферийного направления для образования по меньшей мере одного первого ряда первых отверстий.

В соответствии с дополнительным примером осуществления, вторые отверстия группы вторых отверстий образованы в элементе стенки друг за другом вдоль периферийного направления для образования по меньшей мере одного второго ряда вторых отверстий. Количество первых отверстий равно, например, количеству вторых отверстий, видимых через всю периферию, но поверхностная плотность для каждого ряда отверстий различается между первым и вторым рядами отверстий.

В соответствии с дополнительным примером осуществления, вторые отверстия группы вторых отверстий образованы в элементе стенки друг за другом вдоль периферийного направления для образования по меньшей мере одного второго ряда вторых отверстий. Так как первые отверстия группы первых отверстий содержат первую поверхностную плотность, которая отличается от второй поверхностной плотности вторых отверстий группы вторых отверстий, количество первых отверстий отличается, например, от количества вторых отверстий.

Относительно описанных выше примеров осуществления, содержащих первый ряд и второй ряд, количество первых рядов отличается от количества вторых рядов. Дополнительно или альтернативно, количество первых отверстий в первом ряду отличается от количества вторых отверстий во втором ряду. Это имеет результатом первую поверхностную плотность, которая отличается от второй поверхностной плотности, и таким образом неравномерное распределение первых и вторых отверстий вдоль элемента стенки.

В соответствии с дополнительным примером осуществления, первые отверстия группы первых отверстий образованы в элементе стенки друг за другом в первом направлении. Первое направление отличается от периферийного направления для образования по меньшей мере одного дополнительного первого ряда первых отверстий.

В особенности, в соответствии с дополнительным примером осуществления, первый угол между первым направлением и периферийным направлением составляет от приблизительно 10° до приблизительно 80°, в частности от приблизительно 30° до приблизительно 60°. Следовательно, первые отверстия расположены в элементе стенки так, что дополнительный первый ряд проходит спиральным путем вдоль соответствующего (например, трубчатого) элемента стенки.

В соответствии с дополнительным примером осуществления, вторые отверстия группы вторых отверстий образованы в элементе стенки друг за другом во втором направлении. Второе направление отличается от периферийного направления и/или от первого направления для образования по меньшей мере одного дополнительного второго ряда вторых отверстий.

В особенности, в соответствии с дополнительным примером осуществления, второй угол между вторым направлением и периферийным направлением составляет от приблизительно 10° до приблизительно 80°, в частности от приблизительно 30° до приблизительно 60°. Посредством дополнительного первого ряда и дополнительного второго ряда, соответствующие первые и/или вторые отверстия образованы друг за другом в соответствующих первом и втором направлениях так, что соответствующий дополнительный первый ряд и соответствующий дополнительный второй ряд могут образовать винтовой (то есть спиральный) проход вокруг центральной оси вдоль элемента стенки.

В соответствии с дополнительным примером осуществления способа, наружный стеночный элемент наружного корпуса расположен по отношению к внутреннему стеночному элементу так, что наружный стеночный элемент, по меньшей мере, частично охватывает внутренний стеночный элемент, так что между внутренним стеночным элементом и наружным стеночным элементом образуется зазор.

В соответствии с дополнительным примером осуществления способа, группа дополнительных первых отверстий образована в наружном стеночном элементе, в котором группа дополнительных первых отверстий содержит дополнительные первые отверстия, через которые протекает дополнительная текучая среда (например, охлаждающая жидкость/газ). Группа дополнительных первых отверстий содержит дополнительную первую поверхностную плотность дополнительных первых отверстий. Кроме того, группа дополнительных вторых отверстий, которая содержит дополнительные вторые отверстия, образована в наружном стеночном элементе, в котором через дополнительные вторые отверстия протекает дополнительная текучая среда (например, охлаждающая жидкость/газ), в котором группа дополнительных вторых отверстий содержит дополнительную вторую поверхностную плотность вторых отверстий. Дополнительная первая поверхностная плотность отличается от дополнительной второй поверхностной плотности.

Общая площадь отверстий для внутренней и наружной стенки распределяется через стенку так, что возникают полосы или площади различной плотности отверстий. Критерии для распределения зависят от параметров потока, которыми могут, например, быть температура, скорость потока, направление потока и/или турбулентность текучей среды и/или дополнительной текучей среды.

Следовательно, посредством описанного выше способа спроектированы и образованы группа первых отверстий и группа вторых отверстий, в то же время принимая во внимание параметры потока соответствующей текучей среды. Следовательно, обеспечено эффективное распределение отверстий и, следовательно, улучшенное направление текучей среды и дополнительной текучей среды вдоль соответствующих стеночных элементов. Посредством этого, достигается также эффективность камеры сгорания благодаря группе приспособленных отверстий.

Например, отверстия групп отверстий в элементе стенки могут быть в начале способа равно распределены и, следовательно, содержат равную поверхностную плотность отверстий. Затем некоторые из отверстий могут быть удалены из существующих групп отверстий, так что образуются неравное распределение и неравная плотность отверстий между соответствующими группами отверстий. Затем измеряют, как общая площадь отверстий понижается в испытании потока, как подтверждение. Затем, вычисляют, как обрабатывать и располагать соответствующие отверстия, чтобы получить номинальные параметры потока и достичь хорошей демпфирующей характеристики. Затем соответствующие отверстия распределяют в соответствующих группах отверстий, так что образуются неравномерное распределение и/или неравномерная поверхностная плотность отверстий, для того чтобы соответствовать номинальным параметрам потока и общей эффективной площади потока для камеры сгорания, соответственно.

Посредством описанного выше изобретения динамика горения текучей среды внутри камеры сгорания может быть понижена. Другими словами, внутренние стеночные элементы и наружные стеночные элементы являются перфорированными с отверстиями неравномерным и подогнанным способом. Следовательно, благодаря понижению динамики горения достигается срок службы компонента камеры сгорания и компонентов расположенной ниже по потоку ступени турбины как результат пониженных колебаний пламени и температурных профилей. Кроме того, выделения NOx понижаются, потому что благодаря пониженной динамике горения меньшее расщепление первоначального топлива (первоначальное топливо/[первоначальное топливо + основное топливо] может быть применено.

Должно быть отмечено, что варианты осуществления изобретения описаны со ссылкой на различные предметы изобретения. В особенности, некоторые варианты осуществления описаны со ссылкой на пункты формулы изобретения типа группы, тогда как другие варианты осуществления описаны со ссылкой на пункты формулы изобретения типа способа. Однако специалист в данной области техники будет заключать из вышеописанного и следующего описания что, если не отмечено иначе, в дополнение к любому сочетанию признаков, принадлежащих к одному типу предмета изобретения, также любое сочетание между признаками, относящимися к различным предметам изобретения, в особенности между признаками пунктов формулы изобретения типа группы и признаками пунктов формулы изобретения типа способа считается как раскрытое с этим применением.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Аспекты, определенные выше, и дополнительные аспекты настоящего изобретения являются очевидными из примеров варианта осуществления, который должен быть описан ниже, и объяснены со ссылкой на примеры вариантов осуществления. Изобретение будет описано более подробно ниже со ссылкой на примеры вариантов осуществления, которыми изобретение не ограничено.

Фиг. 1 показывает корпус камеры сгорания с первым и вторым рядами отверстий в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 2 показывает корпус камеры сгорания с первым и вторым рядами отверстий в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 3 и 4 показывают абстрактные виды узоров отверстий в соответствующем корпусе камеры сгорания в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 5 показывает схематический вид камеры сгорания, содержащей внутренний корпус и наружный; и

Фиг. 6 показывает схематический вид способа изготовления корпуса в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Иллюстрации на чертежах являются схематическими. Отмечено, что на различных фигурах подобные или идентичные элементы снабжены теми же знаками ссылок.

Фиг. 1 показывает корпус для камеры 100 сгорания для газовой турбины. Корпус содержит стеночный элемент 101, который содержит группу I первых отверстий и группу II вторых отверстий. Группа I первых отверстий содержит первые отверстия 110, через которые протекает текучая среда первых отверстий 110. Группа I первых отверстий содержит первую поверхностную плотность первых отверстий 110.

Группа II вторых отверстий содержит вторые отверстия 120, через которые протекает текучая среда вторых отверстий 120. Группа II вторых отверстий содержит вторую поверхностную плотность вторых отверстий 120.

Первая поверхностная плотность отличается от второй поверхностной плотности. То есть количество первых отверстий 110 на единицу площади отличается от количества вторых отверстий 120 на единицу площади. Другими словами, первые отверстия 110 распределены с другим узором и/или с другим количеством и/или с другим размером (например, диаметр отверстия) по отношению ко вторым отверстиям 120 в группе II вторых отверстий.

Например, как можно увидеть из Фиг. 1, группа I первых отверстий, группа II вторых отверстий и, например, группа III третьих отверстий содержат одинаковый размер площади. Кроме того, группа I первых отверстий, группа II вторых отверстий и группа III третьих отверстий могут определить единицу площади, которая может определить соответствующую первую, вторую и/или третью поверхностную плотность отверстий.

На Фиг. 1 плотность первых отверстий 110 внутри группы I первых отверстий выше, чем вторая поверхностная плотность и третья поверхностная плотность соответствующих группы II вторых отверстий и группы III третьих отверстий, соответственно.

Больше отверстий может быть расположено у переднего торца выше по потоку стеночного элемента 101, потому что это находится там, где размещено пламя. Например, как примерно показано на Фиг. 1, группа I первых отверстий может иметь три первых ряда 111, при этом размещенная еще ниже по потоку группа II вторых отверстий может иметь два вторых ряда 121, а размещенная еще дальше ниже по потоку группа III третьих отверстий может иметь один третий ряд 131.

В особенности, как показано на Фиг. 1, камера 100 сгорания содержит секцию 104 горения (например, секцию переднего торца) у размещения выше по потоку камеры 100 сгорания по отношению к направлению потока текучей среды вдоль центральной оси 102 камеры 100 сгорания. У торца выше по потоку камеры 100 сгорания по отношению к направлению потока текучей среды вдоль центральной оси 102 газообразный продукт горения выходит из камеры 100 сгорания и протекает дополнительно к ступеням турбины газовой турбины, например. Как может быть взято из Фиг. 1, поверхностная плотность соответствующих отверстий 110, 120, 130 понижается от торца выше по потоку до торца ниже по потоку камеры 100 сгорания. Посредством примерного распределения отверстий 110, 120, 130 на Фиг. 1, первые отверстия 110 группы I первых отверстий образованы в стеночном элементе 101 друг за другом в периферийном направлении 103 для образования первых рядов 111 первых отверстий 110. Примыкающие к первым рядам 111 и в направлении ниже по потоку, вторые отверстия 120 группы II вторых отверстий образованы в стеночном элементе 101 друг за другом в периферийном направлении 103 для образования, например, двух вторых рядов 121 вторых отверстий 120. Кроме того, как показано на Фиг. 1, третьи отверстия 113 группы III третьих отверстий образованы в стеночном элементе 101 друг за другом в периферийном направлении 103 для образования по меньшей мере трех третьих рядов 131 третьих отверстий 130.

Например, если соответствующая группа I, II, III отверстий содержит одинаковую определенную площадь, количество отверстий 110, 120, 130 и количество рядов 111, 121, 131 уменьшается в направлении от торца выше по потоку камеры 100 сгорания до торца ниже по потоку камеры 100 сгорания. Другими словами, расстояние между двумя вторыми рядами 121 является меньшим, чем расстояние между третьими рядами 131, например. Например, расстояние между первыми рядами 121 у торца выше по потоку камеры 100 сгорания может составлять половину расстояния между третьими рядами 131 у секции ниже по потоку камеры 100 сгорания.

На Фиг. 1 группа I, II, III, как показано на Фиг. 1, может быть применена к внутреннему стеночному элементу 501 (см. Фиг. 5) (внутренняя футеровка). Благодаря неравномерному распределению отверстий вдоль центральной оси 102 от торца выше по потоку камеры 100 сгорания до торца ниже по потоку камеры 100 сгорания поверхностная плотность у части ниже по потоку является меньшей, чем поверхностная плотность отверстий у части выше по потоку камеры сгорания. Кроме того, также достигается надлежащее эффузионное охлаждение, в особенности у части выше по потоку стеночного элемента 101 по сравнению с группой равномерно расположенных отверстий. Кроме того, посредством распределения отверстий, как показано на Фиг. 1, достигается надлежащая характеристика демпфирования динамики горения внутри камеры 100 сгорания. Группа осевых рядов 111, 121, 131 имеет результатом основу желаемого понижения эффективной площади камеры сгорания и желаемого массового расхода охлаждающей жидкости через соответствующие отверстия 110, 120, 130 через внутреннюю стенку, соответственно.

Фиг. 2 показывает камеру 100 сгорания, в которой стеночный элемент 101 содержит группу I первых отверстий и группу II вторых отверстий. Первые отверстия 110 группы I первых отверстий образованы в стеночном элементе 101 друг за другом в первом направлении 201. Первое направление 201 отличается от периферийного направления 103 для образования по меньшей мере одного дополнительного первого ряда 211 первых отверстий 110.

Дополнительно или альтернативно, вторые отверстия 120 группы II вторых отверстий образованы в стеночном элементе 101 друг за другом во втором направлении 202. Второе направление 202 отличается от периферийного направления 103 для образования по меньшей мере одного дополнительного второго ряда 211 вторых отверстий 120.

Как можно взять из Фиг. 2, дополнительные первые ряды 211 могут содержать, например, два первых отверстия 110. Дополнительный второй ряд 221 содержит, например, три вторых отверстия 120. Следовательно, поверхностная плотность вторых отверстий 120 в группе II вторых отверстий выше, чем поверхностная плотность первых отверстий 110 в группе I первых отверстий.

Кроме того, как показано на Фиг. 2, посредством расположения соответствующих отверстий 110, 120 в первом и втором направлениях образуется винтовой (спиральный) проход вокруг центральной оси 102 вдоль стеночного элемента 101. Другими словами, соответственные отверстия 110, 120 на Фиг. 2 расположены диагональным способом (в спиральном узоре) по отношению к периферийному направлению 103.

В особенности, корпус, содержащий узор отверстий, как показано на Фиг. 2, может быть применен для наружного корпуса с наружным стеночным элементом 502 (см. Фиг. 5). В особенности, первое направление и второе направление диагональных дополнительных первых рядов 211, 221 может быть в том же направлении, что и спиральное и винтовое движение газообразных продуктов горения внутри камеры 100 сгорания. Кроме того, расстояние между двумя примыкающими диагональными дополнительными рядами 211, 221 может быть либо равномерным, либо неравномерным в периферийном направлении 103, в зависимости от требуемых параметров потока через соответствующие отверстия 110, 120, 130.

Камера 100 сгорания, которая содержит внутренний корпус, показанный на Фиг. 1, и наружный корпус, показанный на Фиг. 2, имеет неожиданные эффекты эффективных свойств охлаждения, эффективное демпфирование динамики горения и стабильную характеристику пламени в камере сгорания.

Фиг. 3 показывает более абстрактный вид узора отверстий, как показано на Фиг. 2. На Фиг. 3 в особенности показан узор отверстий наружной стенки 502 (см. Фиг. 5) наружного корпуса камеры 100 сгорания. На Фиг. 3 примерно показаны группа I первых отверстий и группа II вторых отверстий. Первые отверстия 110 расположены друг за другом вдоль дополнительных первых рядов 211. Дополнительные первые ряды 211 простираются в первом направлении 201. Между первым направлением 201 и периферийным направлением 103 определен первый угол α1.

Вторые отверстия 120 расположены в группе II вторых отверстий друг за другом во втором направлении 202 и образуют дополнительные вторые ряды 221. Между вторым направлением 202 и периферийным направлением 103 определен второй угол α2.

Как показано на Фиг. 3, дополнительные первые ряды 211 и дополнительные вторые ряды 221 имеют спиральный (диагональный) проход по отношению к периферийному направлению 103. В особенности, как показано на Фиг. 3, в периферийном направлении 103 расстояния между соответственными дополнительными рядами 211, 221 являются различными между собой. Например, как показано в группе I первых отверстий, группа I первых отверстий содержит три пары дополнительных первых рядов 211, в которых между каждой парой дополнительных первых рядов 211 существует большее расстояние, чем между каждым из двух дополнительных первых рядов 211, которое определяет соответствующую пару дополнительных первых рядов 211.

По сравнению с этим, как показано в группе II вторых отверстий, группа II вторых отверстий содержит две пары дополнительных вторых рядов 221 и одну группу дополнительных вторых рядов, содержащих три дополнительных вторых ряда 221.

Следовательно, в периферийном направлении, расстояние между каждым дополнительным рядом 211, 221 изменяется так, что обеспечивается неравномерное распределение отверстий 110, 120.

Фиг. 4 показывает абстрактный вид узора отверстий, как показано схематически на Фиг. 1. В особенности, узор отверстий, показанный на Фиг. 4, может быть выгодным, когда он применен к внутренней стенке 501 (см. Фиг. 5) внутреннего корпуса камеры 100 сгорания. Первые ряды 111 первых отверстий 110 и вторые ряды 121 вторых отверстий 120 расположены один после другого в осевом направлении 102, в котором первые ряды 111 и вторые ряды 121 являются параллельными по отношению к периферийному направлению 103. Расстояние между первыми рядами 111 в группе I первых отверстий является меньшим, чем расстояние между вторыми рядами 121 группы II вторых отверстий.

Фиг. 5 показывает для лучшего рассмотрения поперечное сечение сдвоенной стенки типа жаровой трубы камеры 100 сгорания. Внутренняя стенка 501 внутреннего корпуса охватывает объем активного горения камеры 100 сгорания. Вокруг внутреннего корпуса, наружная стенка 502 наружного корпуса окружает внутреннюю стенку 501 таким образом, что обеспечен зазор. Поток 503 охлаждающей текучей среды протекает через соответственные отверстия 110, 120 наружной стенки в зазор. Поток 503 охлаждающей текучей среды образует по меньшей мере часть потока 504 охлаждающей текучей среды, протекающего из зазора между двумя стеночными элементами 501, 502 через отверстия 110, 120, 130 внутренней стенки 501 в камеру 100 сгорания. Поток 504 охлаждающей текучей среды может быть меньше или больше, чем поток 503 охлаждающей текучей среды, в зависимости от того, если охлаждающие текучие среды добавлены в зазор между двумя стеночными элементами 501 и 502 или удалены из него.

Как показано на Фиг. 5, внутренняя стенка 501 и наружная стенка 502 окружают центральную ось 102 и посредством этого образуют секцию трубчатой формы камеры 100 сгорания.

Фиг. 6 показывает способ калибрования и расположения желаемой группы I, II, III отверстий внутреннего стеночного элемента 501 и наружного стеночного элемента 502. На этапе 601 определяется первоначальный проект камеры сгорания. Первоначальный проект камеры сгорания может содержать равномерно или неравномерно распределенный узор отверстий во внутреннем стеночном элементе 501 и/или в наружном стеночном элементе 502.

Затем камера сгорания работает, измеряется или анализируется при нормальных рабочих условиях, так что внутренний стеночный элемент 501 и наружный стеночный элемент 502 подвергаются воздействию потока 503 охлаждающей текучей среды и дополнительного потока 504 охлаждающей текучей среды, соответственно. Охлаждающая текучая среда протекает с ее соответствующим рабочим параметром потока через соответствующие отверстия внутреннего стеночного элемента 501 и наружного стеночного элемента 502.

Затем, на этапе 602 решаются группы I, II, III отверстий внутреннего стеночного элемента 501. Эффективная площадь внутреннего стеночного элемента 501 определяется посредством общего количества отверстий 110, 120, 130 внутреннего стеночного элемента 501. Аналогично, на этапе 603, решаются группы I, II, III отверстий наружного стеночного элемента 502. Эффективная площадь внутреннего стеночного элемента 501 (наружная футеровка) определяется посредством общего количества отверстий 120, 130, 140 наружного стеночного элемента 502.

Затем, на этапе 605 определяется общая эффективная площадь камеры 100 сгорания на основе групп I, II, III отверстий внутреннего стеночного элемента 501 и групп I, II, III отверстий наружного стеночного элемента 502.

Кроме того, определяются параметры потока текучей среды (например, скорость дополнительного потока 504 охлаждающей текучей среды), выходящей из внутреннего стеночного элемента 501 в пространство горения камеры 100 сгорания (см. этап 604).

Затем, на этапе 606 определенные величины параметров охлаждающей жидкости 503, 504 и геометрического параметра объединенных внутреннего и наружного стеночных элементов 501, 502 (то есть, камеры 100 сгорания) сравниваются с номинальными величинами, например, скорости охлаждающей текучей среды 503, 504 и эффективной площади камеры 100 сгорания.

Если измеренные параметры потока и/или номинальная величина геометрического параметра камеры 100 сгорания не соответствуют соответствующим номинальным величинам, на стадии 607, первая поверхностная плотность, дополнительная первая поверхностная плотность, вторая поверхностная плотность и/или дополнительная вторая поверхностная плотность соответствующих отверстий во внутреннем стеночном элементе 501 и/или наружном стеночном элементе 502 и таким образом соответствующий узор отверстий индивидуально изменяется до тех пор, пока номинальные величины параметров потока/геометрических не будут достигнуты.

Если номинальные величины достигаются, достигается окончательный проект узора отверстий внутреннего стеночного элемента 501 и наружного стеночного элемента 502.

Следовательно, посредством описанного выше способа, как показано на Фиг. 6, достигается подогнанный и оптимизированный узор стенок внутреннего стеночного элемента 501 и наружного стеночного элемента 502 при реальных рабочих условиях камеры сгорания, так что проектируется оптимизированный поток текучей среды и эффективная камера 100 сгорания. При традиционных подходах узор отверстий рассчитывается и распределяется равномерно через данную поверхность. Посредством настоящего подхода узор отверстий внутри заданной поверхности определяется, балансируя требованиями к демпфированию с узором распределяющего охлаждающего воздуха через поверхность, используя повторяющийся процесс, как показано на Фиг. 6 и описано выше. Другими словами, узоры отверстий подгоняются для рабочих условий камеры 100 сгорания и газовой турбины, к которой камера 100 сгорания смонтирована.

Ради ясности, не все отверстия 110, 120, 130 и ряды 111, 121, 131, 211, 221 идентифицированы с соответствующими ссылочными знаками на описанных выше фигурах.

Необходимо отметить, что термин «содержащий» не исключает другие элементы или стадии. Также элементы, описанные в сочетании с различными вариантами осуществления, могут быть скомбинированы. Необходимо также отметить, что ссылочные знаки в пунктах формулы изобретения не должны толковаться, как ограничивающие объем пунктов формулы изобретения.

1. Камера (100) сгорания для газовой турбины, содержащая:
внутренний корпус и наружный корпус,
при этом внутренний корпус содержит внутренний стеночный элемент (501), который содержит группу (I) первых отверстий и группу (II) вторых отверстий, причем внутренний стеночный элемент (501) охватывает объем горения камеры (100) сгорания,
причем группа (I) первых отверстий содержит первые отверстия (110), через которые протекает текучая среда и которые расположены в первой поверхностной плотности,
при этом группа (II) вторых отверстий содержит вторые отверстия (120), через которые протекает текучая среда и которые расположены во второй поверхностной плотности,
причем первая поверхностная плотность отличается от второй поверхностной плотности,
при этом наружный корпус содержит наружный стеночный элемент (502), который содержит группу (I) дополнительных первых отверстий и группу (II) дополнительных вторых отверстий, причем наружный стеночный элемент (502) наружного корпуса по меньшей мере частично охватывает внутренний стеночный элемент (501) внутреннего корпуса, так что между внутренним стеночным элементом (501) и наружным стеночным элементом (502) образуется зазор,
при этом группа (I) дополнительных первых отверстий содержит дополнительные первые отверстия (110), через которые протекает текучая среда и которые расположены в дополнительной первой поверхностной плотности,
причем группа (II) дополнительных вторых отверстий содержит дополнительные вторые отверстия (120), через которые протекает текучая среда и которые расположены в дополнительной второй поверхностной плотности,
причем дополнительная первая поверхностная плотность отличается от дополнительной второй поверхностной плотности.

2. Камера (100) сгорания по п. 1,
в которой внутренний стеночный элемент (501) продолжается в периферийном направлении (103) вокруг центральной оси (102) камеры (100) сгорания и/или
в которой наружный стеночный элемент (502) продолжается в периферийном направлении (103) вокруг центральной оси (102) камеры (100) сгорания.

3. Камера (100) сгорания по п. 1,
в которой внутренний стеночный элемент (501) продолжается в периферийном направлении (103) вокруг центральной оси (102) газовой турбины и/или
в которой наружный стеночный элемент (502) продолжается в периферийном направлении (103) вокруг центральной оси (102) газовой турбины.

4. Камера (100) сгорания по п. 2,
в которой первые отверстия (110) группы (I) первых отверстий образованы во внутреннем стеночном элементе (501) друг за другом в периферийном направлении (103) для образования по меньшей мере одного первого ряда (111) первых отверстий (110) и/или
в которой дополнительные первые отверстия (110) группы (I) дополнительных первых отверстий образованы в наружном стеночном элементе (502) друг за другом в периферийном направлении (103) для образования по меньшей мере одного дополнительного первого ряда (111) дополнительных первых отверстий (110).

5. Камера (100) сгорания по п. 3,
в которой первые отверстия (110) группы (I) первых отверстий образованы во внутреннем стеночном элементе (501) друг за другом в периферийном направлении (103) для образования по меньшей мере одного первого ряда (111) первых отверстий (110) и/или
в которой дополнительные первые отверстия (110) группы (I) дополнительных первых отверстий образованы в наружном стеночном элементе (502) друг за другом в периферийном направлении (103) для образования по меньшей мере одного дополнительного первого ряда (111) дополнительных первых отверстий (110).

6. Камера (100) сгорания по одному из пп. 2-5,
в которой вторые отверстия (120) группы (II) вторых отверстий образованы во внутреннем стеночном элементе (501) друг за другом в периферийном направлении (103) для образования по меньшей мере одного второго ряда (121) вторых отверстий (120) и/или
в которой дополнительные вторые отверстия (120) группы (II) дополнительных вторых отверстий образованы в наружном стеночном элементе (502) друг за другом в периферийном направлении (103) для образования по меньшей мере одного дополнительного второго ряда (121) дополнительных вторых отверстий (120).

7. Камера (100) сгорания по одному из пп. 2-5,
в которой первые отверстия (110) группы (I) первых отверстий образованы во внутреннем стеночном элементе (501) друг за другом в первом направлении (201),
при этом первое направление (201) отличается от периферийного направления (103) для образования по меньшей мере одного дополнительного первого ряда (211) первых отверстий (110),
причем дополнительные первые отверстия (110) группы (I) дополнительных первых отверстий образованы в наружном стеночном элементе (502) друг за другом в дополнительном первом направлении (201),
при этом дополнительное первое направление (201) отличается от периферийного направления (103) для образования по меньшей мере одного дополнительного наружного первого ряда (211) дополнительных первых отверстий (110).

8. Камера (100) сгорания по п. 7,
в которой первый угол (α1) между первым направлением (201) и периферийным направлением (103) составляет от 10° до 80º, в частности от 30° до 60°, и/или
в которой дополнительный первый угол (α1) между дополнительным первым направлением (201) и периферийным направлением (103) составляет от 10° до 80°, в частности от 30° до 60°.

9. Камера (100) сгорания по одному из пп. 2-5,
в которой вторые отверстия (120) группы (II) вторых отверстий образованы во внутреннем стеночном элементе (501) друг за другом во втором направлении (202),
при этом второе направление (202) отличается от периферийного направления (103) для образования по меньшей мере одного дополнительного второго ряда (221) вторых отверстий (120), и/или
в которой дополнительные вторые отверстия (120) группы (II) дополнительных вторых отверстий образованы в наружном стеночном элементе (502) друг за другом в дополнительном втором направлении (202),
причем дополнительное второе направление (202) отличается от периферийного направления (103) для образования по меньшей мере одного дополнительного наружного второго ряда (221) дополнительных вторых отверстий (120).

10. Камера (100) сгорания по п. 9,
в которой второй угол (α2) между вторым направлением (202) и периферийным направлением (103) составляет от 10° и 80°, в частности от 30° до 60° и/или
в которой дополнительный второй угол (α2) между дополнительным вторым направлением (202) и периферийным направлением (103) составляет от 10° до 80°, в частности от 30° и 60°.

11.Способ изготовления камеры (100) сгорания для газовой турбины, включающий этапы, на которых:
образуют группу (I) первых отверстий, которая содержит первые отверстия (110) во внутреннем стеночном элементе (501) внутреннего корпуса камеры (100) сгорания, при этом текучая среда протекает через первые отверстия (110), расположенные в первой поверхностной плотности, и
образуют группу (II) вторых отверстий, которая содержит вторые отверстия (120) во внутреннем стеночном элементе (501), причем текучая среда протекает через вторые отверстия (120), расположенные во второй поверхностной плотности,
при этом первая поверхностная плотность отличается от второй поверхностной плотности,
причем внутренний стеночный элемент (501) охватывает объем горения камеры (100) сгорания,
располагают наружный стеночный элемент (502) наружного корпуса камеры (100) сгорания по отношению к внутреннему стеночному элементу (501) так, что наружный стеночный элемент (502) по меньшей мере частично охватывает внутренний стеночный элемент (501), и так, что между внутренним стеночным элементом (501) и наружным стеночным элементом (502) образуется зазор,
образуют в наружном стеночном элементе (502) группу (I) дополнительных первых отверстий, которая содержит дополнительные первые отверстия (110), через которые протекает дополнительная текучая среда и которые расположены в дополнительной первой поверхностной плотности, и
образуют в наружном стеночном элементе (502) группу (II) дополнительных вторых отверстий, которая содержит дополнительные вторые отверстия (120), через которые протекает дополнительная текучая среда и которые расположены в дополнительной второй поверхностной плотности,
при этом дополнительная первая поверхностная плотность отличается от дополнительной второй поверхностной плотности.

12. Способ по п. 11, дополнительно включающий этапы, на которых:
осуществляют протекание потока (503) текучей среды через группу (I) первых отверстий и группу (II) вторых отверстий,
осуществляют протекание дополнительного потока (504) текучей среды через группу (I) дополнительных первых отверстий и группу (II) дополнительных вторых отверстий,
определяют параметр потока для потока (503) текучей среды и/или дополнительного потока (504) текучей среды, и
исправляют первую поверхностную плотность, дополнительную первую поверхностную плотность, вторую поверхностную плотность и/или дополнительную вторую поверхностную плотность до тех пор, пока измеренные величины параметра потока для потока (503) текучей среды и/или геометрического параметра камеры (100) сгорания не согласуются с соответствующими номинальными величинами параметра потока и/или геометрического параметра камеры (100) сгорания.



 

Похожие патенты:

Кольцевая стенка камеры сгорания газотурбинного двигателя имеет холодную и горячую стороны и содержит множество первичных отверстий, множество отверстий разбавления и множество отверстий охлаждения.

Камера сгорания авиационного газотурбинного двигателя выполнена кольцевой относительно продольной оси А, определена внешней боковой стенкой, внутренней боковой стенкой и торцевой стенкой кольцевой камеры, соединяющей один конец внешней боковой стенки с одним концом внутренней боковой стенки.

Кольцевая камера (10) сгорания турбомашины, такой как авиационный турбореактивный или турбовинтовой двигатель, содержит коаксиальные стенки (14, 16) в виде тел вращения, расположенные одна в другой, с отверстиями (66) для входа первичного воздуха и отверстиями (66) для входа смесительного воздуха в камеру.

Изобретение относится к газотурбинным двигателям авиационного и наземного применения. .

Кольцевая стенка для кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит по меньшей мере один кольцевой ряд впускных отверстий охлаждения воздухом, содержащий два типа отверстий, различающихся площадью своего сечения, а именно отверстий с большей площадью сечения и отверстий с меньшей площадью сечения, и мультиперфорацию для охлаждения этой стенки. Мультиперфорация образована микроперфорациями, площадь сечения которых меньше, чем площадь каждого из этих впускных отверстий охлаждения воздухом, и которые распределены в форме кольцевого ряда выше по потоку и кольцевого ряда ниже по потоку, сформированных на стороне выше по потоку и стороне ниже по потоку, соответственно от ряда впускных отверстий охлаждения воздухом, и по меньшей мере одного промежуточного кольцевого ряда, прерываемого этими впускными отверстиями охлаждения воздухом. Для каждого из этих впускных отверстий охлаждения воздухом геометрическое соотношение определено как частное от деления максимального расстояния между любыми двумя точками на кромке этого отверстия, измеренного в направлении, параллельном центральной оси стенки, на максимальное расстояние между любыми двумя точками на кромке этого отверстия, измеренное в направлении, перпендикулярном центральной оси стенки. Геометрическое отношение для впускных отверстий охлаждения воздухом с большей площадью сечения больше или равно 1. Геометрическое соотношение для впускных отверстий охлаждения воздухом с меньшей площадью сечения больше, чем геометрическое соотношение для впускных отверстий охлаждения воздухом с большей площадью сечения. Изобретение улучшает охлаждение перфорации вокруг отверстий охлаждения простыми, экономичными и эффективными средствами. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх