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

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

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

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

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

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

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

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

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

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

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

[0045] Однако в варианте выполнения, показанном на фиг.6, некоторая часть воздуха может проходить из наружного воздуховода 52 к внутреннему нижнему по потоку воздуховоду 58, через канал 146, который проходит от наружного воздуховода 52 через внутренний верхний по потоку воздуховод 54 в воздуховод 58, как показано стрелками 148 и 150. Канал 146 может проходить через полую направляющую лопатку 152, которая проходит от наружной стенки 82 внутренней части к внутренней стенке 84 внутренней части. Направляющая лопатка 152 может