RU157527U1

RU157527U1 - COMBUSTION CHAMBER OF A GAS-TURBINE INSTALLATION

Info

Publication number: RU157527U1
Application number: RU2014113831/06U
Authority: RU
Inventors: Анатолий Николаевич Макаров; Алексей Владимирович Кузнецов
Priority date: 2014-04-08
Filing date: 2014-04-08
Publication date: 2015-12-10

Abstract

Камера сгорания газотурбинной установки, содержащая корпус, топливную форсунку, запальное устройство, каналы для подвода воздуха, жаровую трубу, отличающаяся тем, что жаровая труба выполнена с водяным охлаждением в виде многовиткового трубного теплообменника и герметично соединена с корпусом.The combustion chamber of a gas turbine installation, comprising a housing, a fuel nozzle, an ignition device, air supply ducts, a heat pipe, characterized in that the heat pipe is water-cooled in the form of a multi-turn pipe heat exchanger and is hermetically connected to the body.

Description

Камера сгорания газотурбинной установки.The combustion chamber of a gas turbine installation.

Полезная модель относится к энергетике, а именно к устройствам камер сгорания газотурбинных установок газотурбинных и парогазовых электростанций.The utility model relates to energy, and in particular to the devices of the combustion chambers of gas turbine plants of gas turbine and combined cycle power plants.

Известна камера сгорания газотурбинной установки, содержащая корпус, топливную форсунку, запальное устройство, каналы для подвода воздуха, жаровую трубу с конвективно-пленочным охлаждением (Макаров А.Н., Чернышев Д.В., Воропаев В.В. Расчет теплообмена в камере сгорания стационарной газотурбинной установки // Промышленная энергетика. - 2006. - №1. - С. 31-36).A well-known combustion chamber of a gas turbine installation, comprising a housing, a fuel nozzle, an ignition device, air supply channels, a heat pipe with convective-film cooling (Makarov A.N., Chernyshev D.V., Voropaev V.V. Calculation of heat transfer in the combustion chamber stationary gas turbine installation // Industrial Energy. - 2006. - No. 1. - P. 31-36).

Недостатком данной конструкции является низкая эксплуатационная надежность и небольшой ресурс жаровых труб. Статистика показывает, что примерно 25% отказов основных деталей и узлов газотурбинных установок приходится на камеры сгорания.The disadvantage of this design is the low operational reliability and a small resource of flame tubes. Statistics show that approximately 25% of failures of the main parts and components of gas turbine plants occur in combustion chambers.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой является камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая корпус, топливную форсунку, запальное устройство, каналы для подвода воздуха, жаровую трубу с конвективно-пленочным охлаждением, установленную в корпусе с образованием между ней и корпусом воздушной полости, предназначенной для поступающего из компрессора воздуха. Боковая часть стенки жаровой трубы выполнена с двумя группами отверстий для прохода воздуха во внутреннюю полость жаровой трубы. Первая группа отверстий образована для прохода в зону горения, вторая - в зону смешения. Камера сгорания снабжена кольцевой перегородкой, размещенной в пространстве воздушной полости между корпусом и боковой частью стенки жаровой трубы по всей ее длине с разделением этого пространства на два кольцевых канала: внешний и внутренний. Передний край кольцевой перегородки отогнут к корпусу и герметично с ним соединен, а задняя кромка кольцевой перегородки расположена по отношению к корпусу с зазором. (RU, №2398160, МПК F23R 3/16, 2009 г. ).Closest to the technical nature of the claimed is a combustion chamber of a gas turbine engine, comprising a housing, a fuel nozzle, an ignition device, channels for supplying air, a heat pipe with convective film cooling installed in the housing with the formation of an air cavity between it and the housing, intended for incoming from the air compressor. The side part of the flame tube wall is made with two groups of holes for the passage of air into the internal cavity of the flame tube. The first group of holes is formed for passage into the combustion zone, the second to the mixing zone. The combustion chamber is equipped with an annular partition placed in the space of the air cavity between the housing and the side part of the flame tube wall along its entire length with the separation of this space into two annular channels: external and internal. The front edge of the annular partition is bent to the housing and hermetically connected to it, and the trailing edge of the annular partition is located with respect to the housing with a gap. (RU, No. 2398160, IPC F23R 3/16, 2009).

Недостатком данной конструкции является низкая эксплуатационная надежность и большой расход воздуха на охлаждение жаровой трубы. Воздушное конвективно-пленочное охлаждение не защищает жаровую трубу от окалинообразования. При местном, нагреве стенок жаровой трубы до температуры 900°C толщина стенок за счет образования на них окалины уменьшается на 0,05-0,1 мм в год, в результате чего в стенках возникают прогары, трещины. Температура газов в камере сгорания 1500-1800°C и может достигать 2100°C. На охлаждение жаровой трубы используется 40-50% от общего количества воздуха, поступающего от компрессора. Для сжигания топлива расходуется 10-20% от общего количества воздуха. Мощность, потребляемая компрессором для подачи воздуха в камеру сгорания и высокотемпературную турбину с целью ее тепловой защиты, составляет 10-20% от мощности газотурбинной установки, поэтому коэффициент полезного действия газотурбинной установки составляет 24-34%.The disadvantage of this design is the low operational reliability and high air consumption for cooling the flame tube. Air convection-film cooling does not protect the flame tube from scale formation. With local heating of the walls of the flame tube to a temperature of 900 ° C, the wall thickness due to the formation of scale on them decreases by 0.05-0.1 mm per year, resulting in burnouts and cracks in the walls. The temperature of the gases in the combustion chamber is 1500-1800 ° C and can reach 2100 ° C. 40-50% of the total amount of air coming from the compressor is used to cool the flame tube. To burn fuel, 10-20% of the total amount of air is consumed. The power consumed by the compressor for supplying air to the combustion chamber and the high-temperature turbine for the purpose of its thermal protection is 10-20% of the capacity of the gas turbine unit, therefore the efficiency of the gas turbine unit is 24-34%.

Задачей полезной модели является уменьшение нагрева стенок жаровой трубы, снижение мощности компрессора, увеличение мощности на валу турбины.The objective of the utility model is to reduce the heating of the walls of the flame tube, reduce the compressor power, increase the power on the turbine shaft.

Техническим результатом является повышение надежности и срока службы жаровой трубы при охлаждении ее водой, что позволяет снизить расход воздуха и повысить коэффициент полезного действия газотурбинной установки.The technical result is to increase the reliability and service life of the flame tube when it is cooled with water, which allows to reduce air consumption and increase the efficiency of a gas turbine installation.

Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что камера сгорания газотурбинной установки содержит корпус, топливную форсунку, запальное устройство, каналы для подвода воздуха и жаровую трубу. Согласно изобретению жаровая труба выполнена с водяным охлаждением в виде многовиткового трубного теплообменника и герметично соединена с корпусом.The task and the specified technical result are achieved in that the combustion chamber of the gas turbine installation comprises a housing, a fuel nozzle, an ignition device, channels for supplying air and a flame tube. According to the invention, the heat pipe is water-cooled in the form of a multi-turn pipe heat exchanger and is hermetically connected to the housing.

Использование многовиткового трубного теплообменника герметично соединенного с корпусом и воды в качестве охладителя повышает коэффициент теплоотдачи в 20-50 раз по сравнению с коэффициентом теплоотдачи воздуха, что позволяет снизить температуру стенки жаровой трубы до 500-600°C, а следовательно исключает окалинообразование и повышает надежность оборудования и срок службы жаровой трубы. При использовании воды в качестве охладителя жаровой трубы подача воздуха и мощность компрессора снижается в два раза, на 5-10% возрастает мощность на валу турбины и КПД газотурбинной установки.The use of a multi-turn pipe heat exchanger hermetically connected to the casing and water as a cooler increases the heat transfer coefficient by 20-50 times compared with the heat transfer coefficient of air, which reduces the temperature of the heat pipe wall to 500-600 ° C, and therefore eliminates scale formation and increases equipment reliability and flame tube life. When water is used as a chimney cooler, the air supply and compressor power are halved, and the power on the turbine shaft and the efficiency of the gas turbine unit increase by 5–10%.

Устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен вид в разрезе вид спереди камеры сгорания газотурбинной установки; на фиг. 2 вид по А-А.The device is illustrated by drawings, where in FIG. 1 is a sectional view of a front view of a combustion chamber of a gas turbine plant; in FIG. 2 view along AA.

Камера сгорания состоит из корпуса 1, в левой части которого установлены топливная форсунка 2, запальное устройство 3, каналы для подачи воздуха 4. В корпусе 1 встроена жаровая труба 5, выполненная с водяным охлаждением в виде многовиткового трубчатого теплообменника и герметично соединенного с ним.The combustion chamber consists of a housing 1, on the left side of which a fuel nozzle 2, an ignition device 3, and air supply channels 4 are installed. In the housing 1, a heat pipe 5 is built, made with water cooling in the form of a multi-turn tubular heat exchanger and hermetically connected to it.

Камера сгорания работает следующим образом.The combustion chamber operates as follows.

В жаровую трубу 5, выполненную в виде многовиткового трубчатого теплообменника, подается охлаждающая вода. Топливо, с помощью топливной форсунки 2, и воздух через каналы для подвода воздуха 4 непрерывно поступают в жаровую трубу 5, где смешиваются и горючая смесь зажигается с помощью запального устройства 3. В результате сгорания топлива образуются высокотемпературные газы, которые через коническую часть жаровой трубы 5, находящуюся в правой части корпуса 1 камеры сгорания, поступают в газовую турбину, где тепловая энергия газов преобразуется в механическую. Воздух для снижения температуры газов до требуемой величины перед подачей в газовую турбину поступает через верхние каналы для подвода воздуха 4. Высокотемпературные газы излучают тепловую энергию на стенки жаровой трубы 5, охлаждение которой осуществляется с помощью охлаждающей воды. Расход охлаждающей воды регулируется таким образом, чтобы температура стенок жаровой трубы 5 не превышала 550-600°C, в результате чего повышается надежность и срок службы жаровой трубы 5. Воздух в качестве охладителя жаровой трубы 5 не используется, его расход, производительность и мощность компрессора снижаются в два раза. Так как мощность, потребляемая компрессором, составляет 10-20% от мощности газотурбинной установки, то при снижении мощности компрессора в два раза его потребляемая мощность составит 5-10% от мощности газотурбинной установки. Коэффициент полезного действия газотурбинной установки при этом возрастает на 5-10% и его значение при использовании устройства возрастает от 24-44% до 29-44%. Подогретая в жаровой трубе 5 вода может быть полезно использована и подаваться в котел-утилизатор. При этом повышается коэффициент полезного использования тепла газотурбинной установки. Мощность, потребляемая электродвигателем насоса подачи воды в жаровую трубу, составляет менее 0,5% мощности газотурбинной установки.In the heat pipe 5, made in the form of a multi-turn tubular heat exchanger, cooling water is supplied. Fuel, using the fuel nozzle 2, and air through the air supply channels 4 continuously enter the flame tube 5, where they are mixed and the combustible mixture is ignited using the ignition device 3. High temperature gases are generated as a result of fuel combustion, which through the conical part of the flame tube 5 located on the right side of the housing 1 of the combustion chamber, enter the gas turbine, where the thermal energy of the gases is converted into mechanical. Air to reduce the temperature of the gases to the required value before being fed into the gas turbine enters through the upper channels for supplying air 4. High-temperature gases radiate thermal energy to the walls of the flame tube 5, the cooling of which is carried out using cooling water. The flow of cooling water is regulated so that the temperature of the walls of the flame tube 5 does not exceed 550-600 ° C, resulting in increased reliability and service life of the flame tube 5. Air is not used as a cooler of the flame tube 5, its flow rate, capacity and compressor power reduced by half. Since the power consumed by the compressor is 10-20% of the capacity of a gas turbine unit, when the compressor power is halved, its power consumption will be 5-10% of the capacity of a gas turbine unit. The efficiency of the gas turbine installation in this case increases by 5-10% and its value when using the device increases from 24-44% to 29-44%. The water heated in the flame tube 5 can be useful and fed into the recovery boiler. At the same time, the efficiency of the heat of the gas turbine installation is increased. The power consumed by the electric motor of the pump for supplying water to the flame tube is less than 0.5% of the power of the gas turbine unit.

Достигается это использованием воды в качестве охладителя и изменением конструкции жаровой трубы.This is achieved by using water as a cooler and by changing the design of the flame tube.

В настоящее время полезная модель находится на стадии технического предложения.The utility model is currently at the technical proposal stage.

Claims

The combustion chamber of a gas turbine installation, comprising a housing, a fuel nozzle, an ignition device, air supply ducts, a heat pipe, characterized in that the heat pipe is water-cooled in the form of a multi-turn pipe heat exchanger and is hermetically connected to the body.