КАМЕРА СГОРАНИЯ, В ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ, ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ, С ДВУМЯ РЕЗОНАТОРНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ Российский патент 2010 года по МПК F23R3/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к газовой турбине, по меньшей мере, с камерой сгорания и, по меньшей мере, с двумя резонаторными устройствами, предназначенными для демпфирования акустических колебаний в камере сгорания.

Уровень техники

Газотурбинная установка включает в себя, например, компрессор и камеру сгорания, а также турбину. Компрессор обеспечивает сжатие всасываемого воздуха, с которым затем смешивается топливо. Сгорание смеси происходит в камере сгорания, и истекающие из нее газы сгорания подают в турбину. Там энергию тепла истекающих газов сгорания отбирают и преобразуют в механическую энергию.

Однако отклонения в качестве топлива и другие тепловые или акустические возмущения приводят к отклонениям в количестве высвобождаемого тепла и, таким образом, влияют на термодинамическую эффективность установки. В этой ситуации происходит взаимодействие акустических и тепловых возмущений, которые могут сами себя усиливать. Термоакустические колебания такого рода, как происходят в камерах сгорания газовых турбин, или также в тепловых машинах вообще, представляют проблему, которую требуется учитывать при разработке и эксплуатации новых камер сгорания, частей камер сгорания и горелок для газовых турбин или тепловых машин.

Истекающие газы, получаемые в процессе сгорания, имеют высокую температуру. Поэтому их разбавляют охлаждающим воздухом, чтобы уменьшить температуру до уровня, который является безопасным для стенок камеры сгорания и компонентов газовой турбины. Охлаждающий воздух проходит в камеру сгорания через отверстия для охлаждающего воздуха в стенке камеры сгорания. Кроме того, в камеру сгорания поступает, так называемый, уплотнительный воздух, то есть воздух, который предотвращает попадание горячего газа из камеры сгорания в промежутки между смежными элементами теплозащитной облицовки камеры сгорания. В этом случае уплотнительный воздух продувают через промежутки между смежными элементами теплозащитной облицовки в камеру сгорания.

Разбавление истекающих газов охлаждающим воздухом и уплотнительным воздухом, однако, приводит к более высокому уровню загрязняющего выхлопа. Поэтому, чтобы уменьшить выброс загрязняющих веществ газовых турбин, в современных установках потоки охлаждающего воздуха и уплотнительного воздуха поддерживают на низком уровне. В результате, однако, также снижается эффект акустического демпфирования, что может привести к усилению термоакустических колебаний. В связи с этим может возникнуть взаимно усиливающееся взаимодействие между тепловыми и акустическими возмущениями, которые могут вызвать высокие уровни напряжений и нагрузок в камере сгорания и привести к увеличению выхлопа.

Поэтому, в предшествующем уровне техники, с целью уменьшения термоакустических колебаний используются, например, резонаторы Гельмгольца для демпфирования термоакустических колебаний в камерах сгорания газовых турбин, которые подавляют амплитуду колебаний.

Чтобы обеспечить возможность подавлять термоакустические колебания в более широком частотном диапазоне, в DE 33,24805 А1 предложено использовать множество резонаторов Гельмгольца, работающих на разных частотах резонанса, которые размещены по боковым сторонам в канале подачи воздуха камеры сгорания. В этом случае каждый резонатор Гельмгольца подавляет акустические колебания разных частот. Следует отметить, что в этом случае следует использовать дополнительный охлаждающий воздух. В результате либо увеличивается потребление охлаждающего воздуха, или меньшее количество охлаждающего воздуха будет доступно для охлаждения истекающих газов сгорания, в связи с чем повышается пропорция загрязняющих веществ в отработавших газах сгорания.

Таким образом, существует потребность в камере сгорания и газовой турбине, в которых компоновка разных демпфирующих устройств выполнена так, что потребность в дополнительном охлаждающем воздухе может оставаться относительно низкой.

Раскрытие изобретения

Камера сгорания в соответствии с изобретением, в частности, для газовой турбины, включает в себя, по меньшей мере, одну стенку камеры сгорания, через которую протекает охлаждающая текучая среда, в частности, охлаждающий воздух, и, по меньшей мере, одно резонаторное устройство. При этом термин резонаторное устройство используется для обозначения устройства демпфирования, предназначенного для демпфирования акустических колебаний, которое включает в себя, по меньшей мере, один резонатор Гельмгольца. Камера сгорания, в соответствии с изобретением, отличается тем, что резонаторное устройство интегрировано в стенку камеры сгорания таким образом, что через него протекает поток охлаждающей текучей среды.

В камере сгорания в соответствии с изобретением, благодаря тому что резонаторное устройство интегрировано в стенку камеры сгорания, и через него протекает поток охлаждающей текучей среды, обеспечивается, что поток охлаждающей текучей среды, который используется для охлаждения резонаторного устройства, также остается доступным для охлаждения стенки камеры и/или для уплотнения промежутков, и/или для разбавления истекающих газов сгорания. Таким образом, содержание загрязняющего вещества в отработавших газах сгорания можно поддерживать на низком уровне, и в то же время термоакустические колебания могут быть эффективно уменьшены с помощью резонаторного устройства.

Предпочтительно камера сгорания имеет, по меньшей мере, два резонаторных устройства с разными частотами резонанса. По меньшей мере, одно резонаторное устройство может быть выполнено в виде высокочастотного демпфирующего устройства, и, по меньшей мере, одно резонаторное устройство может быть выполнено в виде демпфирующего устройства, работающего на средних частотах.

В этом случае, в соответствии с данной заявкой, термин «высокочастотный», предпочтительно, используется для обозначения диапазона приблизительно от 250 герц, в частности приблизительно от 500 герц. Термин «средние частоты» или «диапазон средних частот», предпочтительно, используется для обозначения диапазона приблизительно между 30 и 750 герц, в частности, между 50 и 500 герц. Однако также возможны отклонения до 50% от указанных значений и диапазонов.

Разделение на две полосы частот, причем колебания в различных полосах частот подавляют с помощью разных резонаторных устройств, позволяет эффективно подавлять возникающие колебания. Полосы частот могут перекрываться, в частности, на краях, но не обязательно. Кроме того, также можно использовать три или больше разных полосы частот, то есть три или больше резонаторных устройства, которые, соответственно, отличаются друг от друга своими частотами резонанса.

Резонаторные устройства, предпочтительно, встраивают в стенку камеры сгорания таким способом, что через каждое из них протекает часть потока охлаждающей текучей среды. В этом случае, резонаторные устройства могут быть встроены в стенку камеры сгорания таким способом, что они либо формируют параллельные каналы для частичных потоков охлаждающей текучей среды, либо они формируют последовательно соединенные каналы для частичных потоков охлаждающей текучей среды, или они формируют как параллельные каналы потока, и так и последовательно соединенные каналы для частичных потоков охлаждающей текучей среды. Таким образом, условия потока в отдельных резонаторных устройствах и, таким образом, условия, преобладающие в резонаторных устройствах, можно регулировать определенно и целенаправленно.

Поток охлаждающей текучей среды в некоторых областях может создавать разные давления. В резонаторных устройствах, в которых каждое устройство имеет, по меньшей мере, один вход, используемый как входное отверстие для потока, и, по меньшей мере, один выход, используемый как выходное отверстие для потока, входы и/или выходы резонаторных устройств с первой резонансной частотой могут быть соединены с другим уровнем давления, чем входы или выходы резонаторных устройств со второй резонансной частотой, которая отличается от первой. Путем выбора подходящих давлений для соответствующих входов и выходов резонаторных устройств, возможно определенно и целенаправленно регулировать условия потока в отдельных резонаторных устройствах и, таким образом, общие условия, преобладающие в резонаторных устройствах.

Предпочтительно, поток через резонаторные устройства соединен параллельно с потоком через входной клапан для подачи текучей среды в камеру сгорания.

Газовая турбина в соответствии с изобретением включает в себя, по меньшей мере, одну камеру сгорания в соответствии с изобретением.

Хотя изобретение было описано здесь в отношении обычных газовых турбин, его использование не ограничено газовыми турбинами. Также возможно использовать изобретение в других турбинах и тепловых машинах.

Другие особенности, свойства и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из приведенного ниже описания варианта выполнения, используемого в качестве примера, и со ссылкой на прилагаемый чертеж.

Краткое описание чертежей

На чертеже показана схема варианта выполнения камеры сгорания в соответствии с изобретением.

Осуществление изобретения

На чертеже показана схема участка переднего листа 24 камеры 1 сгорания газовой турбины 2, как вариант выполнения, в качестве примера камеры сгорания в соответствии с изобретением. Газовая турбина 2 включает в себя внешний кожух 18, который окружает камеру 1 сгорания. В камере 1 сгорания предусмотрена горелка 20, только часть которой показана на чертеже, и по боковым сторонам которой размещены входные клапаны 25 для подачи воздуха, обеспечивающего процесс сгорания (только один из входных клапанов 25 для подачи воздуха можно видеть на чертеже). Воздух пропускают через стенку 3 камеры к входным клапанам 25 для подачи воздуха. Стенка 3 камеры включает в себя заднюю стенку 26 камеры и облицовку 4, которая формирует переднюю стенку камеры. Промежуточное пространство 23 между задней стенкой 26 камеры и облицовкой 4 в этой компоновке формирует, по меньшей мере, один канал потока для подачи воздуха к входным клапанам 25 для подачи воздуха. Воздух, протекающий через канал потока, не предназначен исключительно для поддержания процесса сгорания, но также выполняет функцию охлаждающего воздуха, предназначенного для охлаждения облицовки 4 и/или, в случае необходимости, функцию уплотнительного воздуха, предназначенного для блокирования промежутков между смежными элементами облицовки 4.

С камерой 1 сгорания соединены резонаторные устройства 5, 6, предназначенные для демпфирования термоакустических колебаний, которые встроены в области переднего листа 24 в стенку 3 камеры 1 сгорания, в частности в облицовку 4. При этом резонаторное устройство 5 предназначено для демпфирования термоакустических колебаний в диапазоне средних частот и включает в себя резонатор 9 Гельмгольца, называемый далее СЧ-резонатором. Другое резонаторное устройство 6 предназначено для демпфирования термоакустических колебаний в диапазоне высоких частот и включает в себя два резонатора 7, 8 Гельмгольца, называемых далее ВЧ-резонаторами. Хотя только два резонаторных устройства 5, 6 показаны на фиг.1, камера 1 сгорания может также включать в себя дополнительные резонаторные устройства. Кроме того, резонаторы Гельмгольца не обязательно должны быть размещены на переднем листе камеры сгорания. Например, в кольцевой камере сгорания, множество резонаторных устройств 5, 6 может быть распределено по внешнему контуру стенки 3 камеры. Они могут также отличаться своими частотами резонанса от резонаторных устройств 5, 6, изображенных на фиг.1.

Резонаторы 7, 8, 9 размещены в потоке охлаждающего воздуха и/или в потоке уплотнительного воздуха. Каждый из резонаторов 7, 8, 9 Гельмгольца имеет соответствующий объем резонатора, а также, по меньшей мере, один вход 12, 21, 22, используемый как входное отверстие для потока, и, по меньшей мере, один выход 15, 16, 17, 21, 22, используемый как выходное отверстие для потока, диаметры входного отверстия для потока и выходного отверстия для потока меньше, чем диаметр потока в объеме резонатора. Благодаря наличию участков, через которые проходит поток воздуха с разным поперечным сечением потока, в потоке возбуждается резонансное колебание, которое обеспечивает демпфирование термоакустических колебаний. Резонансная частота и, таким образом, частота, на которой происходит наиболее эффективное демпфирование термоакустических колебаний, зависит от величины объема резонатора.

Входы 21, 22 из ВЧ-резонаторов 7, 8 одновременно представляют собой выходы СЧ-резонатора 9. Дополнительный выход СЧ-резонатора 9 и выходы 16, 17 ВЧ-резонаторов 7, 8 подведены к камере 1 сгорания газовой турбины 2, где они выполняют функцию выходных отверстий для охлаждающего воздуха и/или уплотнительного воздуха.

Потоки воздуха поступают из нагнетательной части компрессора 13, в котором поддерживается давление Р3, в промежуточное пространство 23 между облицовкой 4 и задней стенкой 26 и далее по каналу 19 потока. В этом случае облицовка 4 стенки 3 камеры сгорания охлаждается потоком воздуха. Давление протекающего воздуха, который затем подают в часть 14 повышенного давления горелки, уменьшается до давления Р2.

От части 14 повышенного давления горелки основная часть потока воздуха протекает через канал 11 потока, через входной клапан 25 для подачи воздуха в камеру 1 сгорания. Параллельно ему часть потока воздуха протекает через канал 10 потока, через входы 12 в СЧ-резонатор 9, где давление PIF, которое ниже, чем давление Р2 в части 14 повышенного давления горелки. Часть этого потока воздуха затем поступает из СЧ-резонатора 9 через выход 15 непосредственно в камеру 1 сгорания, в которой давление достигает уровня РСС (давление в камере сгорания), в то время как другая часть протекает через выходы 21, 22 в ВЧ-резонаторы 7, 8, в которых давление достигает уровня PHF, который ниже, чем давление PIF в СЧ-резонаторе 9 и выше, чем давление РСС в камере 1 сгорания. Выходы 21, 22 из СЧ-резонатора одновременно являются входами в ВЧ-резонаторы. Частичный поток воздуха, который подают в ВЧ-резонаторы 7, 8 через выходы и входы 21, 22, в конечном итоге также поступает через выходы 16, 17 в камеру 1 сгорания, где давление РСС ниже, чем в части 14 повышенного давления горелки. Поток воздуха, который поступает в резонатор 9, поэтому разделен на три разных частичных потока воздуха. Два частичных потока воздуха подают в ВЧ-резонаторы 7, 8, тогда как третий частичный поток воздуха подают из СЧ-резонатора непосредственно в камеру 1 сгорания.

Такой подход при соединении резонаторов позволяет получить значительные преимущества. СЧ-резонаторы 9 для диапазона средних частот требуют значительно большего объема, чем ВЧ-резонаторы 7, 8 для высокочастотного диапазона. В целом, необходимый объем конструкции может быть оптимизирован при использовании соответствующего параллельного и последовательного соединения СЧ- и ВЧ-резонаторов. В этом отношении, предпочтительно, по меньшей мере, один резонатор высокочастотного диапазона и, по меньшей мере, один резонатор диапазона средних частот встраивают в стенку 3 камеры сгорания.

Давление РСС, преобладающее в камере 1 сгорания, приблизительно на 3-6% ниже, чем давление Р3, то есть падение давления ΔР/Р3 относительно Р3 составляет приблизительно 3-6%. Такое падение давления разделено на падение давления приблизительно на 1-2,5% в каналах охлаждения стенки (от Р3 до Р2) и падение давления приблизительно на 2-3,5% в каналах подачи воздуха через резонаторы (от Р2 до РСС).

В альтернативной конфигурации камеры сгорания в соответствии с изобретением соединение резонаторов высокочастотного диапазона (ВЧ-диапазон) и резонаторов диапазона средних частот (промежуточная частота) (СЧ-диапазон) выполнено так, что ВЧ-резонатор соединен с частью повышенного давления компрессора 13 с давлением Р3 и СЧ-резонатор соединен с частью 14 повышенного давления горелки с давлением Р2. Соотношение для площадей и объемов между ВЧ-диапазоном и СЧ-диапазоном в данном случае может быть выбрано свободно.

Камера сгорания, в частности для газовой турбины, выполнена, по меньшей мере, с одной стенкой камеры сгорания, через которую протекает охлаждающая текучая среда, и, по меньшей мере, двумя резонаторными устройствами с разными резонансными частотами, которые встроены в стенку камеры сгорания таким образом, что через них протекает поток охлаждающей текучей среды. По меньшей мере, одно из резонаторных устройств имеет такую резонансную частоту, что оно действует как высокочастотный резонатор, а, по меньшей мере, одно из резонаторных устройств имеет такую резонансную частоту, что оно действует как резонатор средней частоты. Высокочастотные резонаторы и резонаторы средней частоты соединены параллельно и последовательно. Изобретение направлено на снижение расхода охлаждающего воздуха. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Камера сгорания, в частности, для газовой турбины, по меньшей мере, с одной стенкой камеры сгорания, через которую протекает охлаждающая текучая среда, и, по меньшей мере, двумя резонаторными устройствами с разными резонансными частотами, которые встроены в стенку камеры сгорания таким образом, что через них протекает поток охлаждающей текучей среды, причем, по меньшей мере, одно из резонаторных устройств имеет такую резонансную частоту, что оно действует как высокочастотный резонатор, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одно из резонаторных устройств имеет такую резонансную частоту, что оно действует как резонатор средней частоты, при этом высокочастотные резонаторы и резонаторы средней частоты соединены параллельно и последовательно.

2. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что резонаторные устройства встроены в стенку камеры сгорания таким образом, что через каждое из них протекают соответствующие частичные потоки охлаждающей текучей среды.

3. Камера сгорания по п.2, отличающаяся тем, что резонаторные устройства встроены в стенку камеры сгорания таким образом, что они формируют параллельные каналы потока для частичных потоков охлаждающей текучей среды.

4. Камера сгорания по п.2, отличающаяся тем, что резонаторные устройства встроены в стенку камеры сгорания таким образом, что они образуют каналы потока, которые соединены последовательно для частичных потоков охлаждающей текучей среды.

5. Камера сгорания по п.2, отличающаяся тем, что резонаторные устройства встроены в стенку камеры сгорания таким образом, что они формируют как параллельные каналы потока, так и каналы потока, которые соединены последовательно, для частичных потоков охлаждающей текучей среды.

6. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что поток охлаждающей текучей среды имеет области с разным давлением, причем каждое резонаторное устройство имеет, по меньшей мере, один вход, используемый как входное отверстие потока, и, по меньшей мере, один выход, используемый как выходное отверстие потока, при этом входы и/или выходы резонаторных устройств с первой резонансной частотой соединены с другим уровнем давления, чем входы и/или выходы резонаторных устройств со второй резонансной частотой, которая отличается от первой резонансной частоты.

7. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что содержит входной клапан для подачи текучей среды в камеру сгорания, и поток, проходящий через резонаторные устройства, соединен параллельно с потоком, проходящим через входной клапан.

8. Газовая турбина, содержащая, по меньшей мере, одну камеру сгорания по п.1.