способ охлаждения жаровой трубы камеры сгорания газотурбинной установки

Формула изобретения

СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ЖАРОВОЙ ТРУБЫ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ путем создания пристеночного защитного слоя посредством струйного подвода и кольцевого выпуска охлаждающего воздуха из камеры смешения с отсосом пограничного слоя из камеры смешения в огневое пространство жаровой трубы, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности жаровой трубы, отсос пограничного слоя осуществляют с расходом, равным 8 - 12% от расхода охлаждающего воздуха.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к турбостроению, в частности к камерам сгорания газотурбинных установок (ГТУ).

Известен способ охлаждения выполненной из обечаек внутренней стенки жаровой трубы камеры сгорания ГТУ, включающий организацию заградительного пристеночного слоя вдоль охлаждаемой стенки путем кольцевого дискретного струйного подвода охлаждающего воздуха вдоль каждой обечайки с последующим распространением его вдоль охлаждаемой стенки [1].

Для реализации этого способа охлаждения на обечайке жаровой трубы штамповкой или холодной прокаткой выполнены кольцевые выступы (5-7 выступов по длине жаровой трубы). На выступах в окружном направлении сверлят отверстия диаметром 4-6 мм. Шаг между отверстиями выбирается из условия прочности и, как правило, равняется 2-2,5 диаметрам отверстий. Охлаждающий воздух из компрессора ГТУ проходит через отверстия внутрь жаровой трубы и, распространяясь с внутренней стороны, изолирует внутреннюю поверхность стенки от контакта с горячими продуктами сгорания, имеющими температуру 1400-1600^оС, и охлаждает стенку за счет конвекции. Известно, что коэффициент теплоотдачи конвекцией зависит от скорости струи воздуха чем выше скорость, тем интенсивнее охлаждение.

Основным недостатком известного способа охлаждения является неравномерность теплосъема на стенках обечаек. На участках стенки обечайки, расположенных между отверстиями, взаимодействие струек воздуха со стенкой, ее изоляция и охлаждение в продольном направлении начинаются на некотором удалении от входа вследствие того, что раскрытие струй воздуха по ширине происходит не мгновенно (угол раскрытия струи, вытекающей из отверстия, равен примерно 17-22^о). Кроме того, струи охлаждающего воздуха начинают взаимодействовать с продуктами сгорания практически сразу же за отверстием и, обладая (каждая струя в отдельности) достаточной энергией, быстро размываются. Вследствие изложенного ухудшаются условия охлаждения стенок, что снижает ресурс жаровой трубы камеры сгорания.

В качестве прототипа выбран способ охлаждения жаровой трубы камеры сгорания ГТУ, включающий организацию заградительного пристеночного пограничного слоя путем кольцевого дискретного струйного подвода охлаждающего воздуха в кольцевую камеру смешения каждой обечайки, кольцевым щелевым выпуском этого воздуха из камеры смешения каждой обечайки с отсосом пограничного слоя с последующим распространением его вдоль охлаждаемой стенки жаровой трубы [2].

Для реализации этого способа охлаждения две соседние обечайки, выполненные штамповкой или холодной прокаткой, свариваются между собой, образуя кольцевую камеру, в которую воздух поступает струями через отверстия, выполненные в выступе наружной обечайки и распределенные равномерно по окружности обечайки. В кольцевой камере струи воздуха вытекают из отверстий с углом раскрытия 17-22^о, смешиваясь друг с другом в продольном направлении на некотором удалении от входа. Выходя далее через кольцевой щелевой зазор между обечайками, охлаждающий воздух в виде сплошной кольцевой струи распространяется вдоль внутренней поверхности обечайки жаровой трубы, во-первых, изолируя ее от горячих продуктов горения в огневой зоне, а во-вторых, охлаждая ее за счет конвекции.

По сравнению с аналогом в прототипе значительно улучшены условия охлаждения за счет наличия камеры смешения. Струи охлаждающего воздуха, предварительно соединившись между собой, вытекают из камеры смешения сплошной единой кольцевой струей, которая обладает большой устойчивостью от размывания продуктами сгорания. При этом в жаровой трубе отсутствуют участки, где бы не было охлаждающего воздуха, т.е. в прототипе сформирован пограничный охлаждающий слой на всей длине обечайки.

Основным недостатком известного способа охлаждения является неравномерное поле скорости в окружном направлении в плоской кольцевой струе, сформированной в сечении на выходе из камеры смешения (щелевого зазора). Эта неравномерность вызвана дискретным подводом воздуха в камеру смешения через систему отверстий. Как правило, длина камеры смешения сравнительно невелика, и дискретно поданные струи воздуха не успевают полностью перемещаться в камере смешения. На выходе из камеры вследствие этого кольцевая плоская струя имеет неравномерную в окружном направлении скорость истечения. В местах, расположенных напротив отверстий, отмечаются более высокие скорости, превышающие среднюю по окружности на 20-25 %. Со сдвигом, равным половине шага между отверстиями, в кольцевой струе имеются минимумы скорости, которые меньше средней скорости также примерно на 20-25 %. Таким образом, разница в скоростях на отдельных участках кольцевой струи охлаждающего воздуха, выходящей из камеры смешения, может достигать 40-50 %. На участках, где скорость меньше, условия охлаждения и эффективность охлаждения хуже. Это может привести к локальному перегреву стенки и выходу жаровой трубы из строя.

Удлинение камеры смешения для создания более равномерного поля скорости, как правило, невозможно по условию прочности. Чрезмерно длинный козырек подвержен в условиях высоких температур короблению, в результате чего может оказаться перекрытым на некотором участке выходной щелевой зазор, что приводит к прогару жаровой трубы.

Целью изобретения является повышение надежности жаровой трубы путем уменьшения неравномерности поля скоростей охлаждающего воздуха на выходе из камеры смешения.

Совокупность признаков изобретения является новой по сравнению с аналогом и прототипом, поскольку характеризуется наличием новой операции - отсосом пограничного охлаждающего слоя из камеры смешения в огневое пространство. Совокупность признаков изобретения по сравнению с аналогом позволяет организовать на выходе из камеры смешения сплошную кольцевую струю, которая обеспечивает существование пограничного охлаждающего слоя на всей длине обечайки жаровой трубы, что является новым свойством изобретения. По сравнению с прототипом изобретение позволяет уменьшить неравномерность поля скорости воздуха в окружном направлении на выходе из камеры смешения и повысить в результате этого эффективность охлаждения стенок жаровой трубы. Причем указанный эффект достигается при отсосе охлаждающего воздуха в количестве 8-12 %.

На фиг. 1 изображен продольный разрез стенок трех состыкованных между собой обечаек жаровой трубы; на фиг.2 - вид по стрелке А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.2.

Способ охлаждения жаровой трубы включает организацию по всей длине каждой обечайки 1 заградительного пристеночного пограничного слоя 2 в виде единой сплошной кольцевой струи с внешней границей 3 путем кольцевого дискретного струйного подвода через отверстия 4 в камеру 5 смешения между стенками 6 и 7 соседних обечаек 1 жаровой трубы охлаждающего воздуха и выпуска этого воздуха через кольцевую щель 8 из камеры 5 смешения. Из межструйного пространства 9 каждой камеры 5 смешения в месте подвода в нее охлаждающего воздуха осуществляют отсос пограничного слоя 2 последнего через отверстия 10 в огневое пространство 11 жаровой трубы в количестве, составляющем 8 - 12 % от количества охлаждающего воздуха.

При реализации способа рабочий процесс протекает следующим образом.

В огневом пространстве жаровой трубы существует факел пламени и распространяются продукты сгорания, имеющие высокую (1400 - 1800^оС) температуру. За счет тепла, переданного излучением, происходит нагрев стенок 12 обечаек 1. Для их охлаждения и создания заградительной струи, препятствующей контакту горячих газов со стенкой, через отверстия 4, выполненные в обечайках 1, вдувается охлаждающий воздух. В камере 5 происходит смыкание дискретно поданных через отверстия 4 струй воздуха в сплошной кольцевой поток, который выходит через кольцевую щель 8 и распространяется вдоль обечайки 1, образуя пристеночный пограничный слой 2 с внешней границей 3. Наличие пристеночного пограничного слоя 2 позволяет осуществлять конвективный съем тепла со стенки, полученного излучением от пламени, а также изолировать указанную стенку от контакта с продуктами сгорания.

Часть охлаждающего воздуха отсасывается за счет действия естественного перепада статического давления через отверстия 10 в огневое пространство 11. Отверстия 10 выполнены в обечайках 1 в межструйном пространстве 9, т.е. сдвинуты на половину шага между отверстиями 4.

В результате стока части воздуха через отверстия 10 происходит более интенсивное раскрытие струй охлаждающего воздуха, поступающих через отверстия 4. Это приводит к более быстрому и более полному выравниванию окружной скорости воздуха в кольцевой заградительной струе. Испытания на моделях показали, что пpи отсосе 8-12% от общего количества охлаждающего воздуха неравномерность скоростей не превышает 10-15 % (в прототипе она достигала 50 %). Уменьшение неравномерности скорости охлаждающего воздуха позволяет увеличить эффективность охлаждения стенок обечаек жаровой трубы и продлить ресурс камеры сгорания.