СИСТЕМА СГОРАНИЯ И ТУРБИНА, СОДЕРЖАЩАЯ ДЕМПФИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2016 года по МПК F23R3/26 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Данное изобретение относится к системе сгорания, к турбине, содержащей систему сгорания и к способу работы системы сгорания.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Система сгорания газовой турбины обычно содержит камеру сгорания, которая расположена внутри наружного корпуса и образует пространство для сжигания смеси топлива и сжатого воздуха. Одним примером такой системы сгорания является система сгорания с низкой эмиссией сухого вещества (DLE), которая работает на бедной смеси топлива и сжатого воздуха, создавая тем самым низкий уровень выбросов (например, окислов азота различного вида и моноксида углерода).

Широко известно, что внутри камеры сгорания во время работы газовой турбины могут возникать колебания давления, которые могут оказывать влияние на условия работы камеры сгорания и тем самым могут ухудшать характеристики или сокращать срок службы камеры сгорания. В частности, характеристики или эффективность газовой турбины могут уменьшаться вследствие этих колебаний.

Эти колебания давления могут создаваться за счет динамических потоков газов сгорания внутри камеры сгорания, в частности, за счет бедной смеси воздуха и топлива, которая используется для DLE. Динамические потоки сгорания могут создаваться с помощью возбуждения пламенем или аэродинамически наводимого возбуждения внутри камеры сгорания во время процесса горения. Кроме того, недостаточное демпфирование корпуса камеры сгорания может также способствовать колебаниям давления внутри камеры сгорания, поскольку колебания корпуса могут изменять пространство, задаваемое корпусом камеры сгорания.

Кроме того, колебания давления внутри камеры сгорания могут возникать за счет динамических характеристик потока газа, в частности сжатого воздуха (в качестве окислителя процесса сгорания) в пространстве, заданном наружной стенкой корпуса системы сгорания и наружной стенкой камеры сгорания, в частности, при входе этого потока газа в камеру сгорания. Например, когда у подающего входа камеры сгорания расположен завихритель, то динамические характеристики потока внутри камеры сгорания могут изменяться так, что могут возникать колебания давления внутри камеры сгорания. Обычно желательно иметь входной газовый поток, имеющий высокое число Маха, для развязки камеры сгорания от колебаний давления, возникающих из наружного потока, окружающего камеру сгорания.

Для демпфирования такого колебания давления внутри камеры сгорания известны различные меры. Можно изменять геометрию камеры сгорания так, что, например, изменяется длина камеры сгорания. Кроме того, внутри камеры сгорания или снаружи камеры сгорания может быть расположено демпфирующее устройство с целью демпфирования амплитуды конкретных частот или даже спектра частот колебаний давления. Такие демпфирующие устройства могут быть, в частности, расположены в пучках колебаний давления. Расположение демпфирующих устройств так, что демпфирующие устройства окружают камеру сгорания, но находятся на расстоянии от подающего входа в камеру сгорания, может обеспечивать невозмущенный поток газа (в частности, поток сжатого воздуха) в камеру сгорания. Однако характеристики камеры сгорания при полной нагрузке могут изменяться, возможно приводя к увеличенной динамике сгорания внутри камеры сгорания с непреднамеренным созданием резонанса колебаний давления внутри камеры сгорания. В этом случае частота или спектр частот колебаний давления внутри корпуса камеры сгорания и/или завихрения не могут быть достаточно демпфированы.

Большинство систем сгорания DLE склонны к динамике сгорания за счет бедной смеси воздуха и топлива (для создания небольшого количества окисей азота). Динамика сгорания может возникать в результате возбуждения пламенем, индуцированного аэродинамикой возбуждения или недостаточным демпфированием.

В US 4122674 раскрыта камера сгорания, включающая подавляющую шум полость, для использовании в узле камеры сгорания газотурбинного двигателя для минимизации шума сгорания, излучаемого двигателем, при этом полость смонтирована на одном конце камеры сгорания, который включает топливную форсунку для впрыска топлива внутрь камеры сгорания, и находится в акустической связи с внутренним пространством камеры сгорания через перфорированный металлический лист, который образует перегородку между камерой сгорания и полостью.

Однако указанные выше меры могут приводить к плохому демпфированию колебаний давления внутри камеры сгорания.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Имеется потребность в системе сгорания для турбины, в частности газовой турбины, и в способе работы системы сгорания, в которой могут быть уменьшены или демпфированы мешающие колебания, отрицательно влияющие на эффективность системы сгорания или турбины.

Для удовлетворения указанной потребности предлагаются система сгорания, турбина и способ работы системы сгорания согласно независимым пунктам формулы изобретения.

Согласно одному аспекту данного изобретения система сгорания (для сжигания, в частности, смеси топлива и окислителя, в частности содержащего кислород компонента реакции, в частности сжатого воздуха) содержит корпус (который может быть выполнен, в частности, из металлического материала, в частности, имеющего кольцевую форму вокруг осевого направления); камеру сгорания (в которой происходит сгорание смеси топлива и окислителя в пламени, в частности, внутри заданного места в камере сгорания); разделительную стенку (содержащую, в частности, также металлический материал); и клапан. При этом камера сгорания расположена внутри корпуса (при этом, в частности, выход камеры сгорания может быть расположен снаружи корпуса, однако центр камеры сгорания, где горит пламя, или большая часть камеры сгорания расположены внутри камеры сгорания), при этом внутренний объем корпуса определен как объем внутри корпуса, но снаружи камеры сгорания. Разделительная стенка разделяет внутренний объем корпуса на первую часть объема и (другую, в частности, меньшую) вторую часть объема, при этом разделительная стенка имеет по меньшей мере одно отверстие (или более предпочтительно несколько отверстий, в частности, распределенных в окружном направлении, предпочтительно имеющих одинаковое окружное расстояние друг от друга) для обеспечения соединения по текучей среде (в частности, соединения с возможностью прохождения окислителя) между первой частью объема и второй частью объема (при этом, в частности, обеспечивается направленное соединение по текучей среде из первой объемной части во вторую объемную часть и/или направленное соединение по текучей среде из второй объемной части в первую объемную часть). Кроме того, на корпусе расположен клапан (в соединении с первой объемной частью и/или со второй объемной частью) для обеспечения прохождения выходного потока текучей среды (в частности, окислителя) из внутреннего объема корпуса (в частности, из второй части объема внутреннего объема корпуса) наружу корпуса (например, к выпускной части, к впускной части, к компрессорной части или к турбинной части, когда система сгорания находится внутри газовой турбины, или используется охлаждающая труба для целей охлаждения), в зависимости от рабочего положения клапана (в частности, задающего степень открывания клапана). Кроме того, камера сгорания имеет вход для подачи окислителя в камеру сгорания, при этом вход находится в соединении по текучей среде с первой частью объема (при этом, в частности, поток окислителя проходит внутри первой части объема, в частности, снаружи камеры сгорания вдоль ограничивающих камеру сгорания стенок камеры сгорания, при этом поток окислителя внутри первой части объема находится в контакте с наружными поверхностями стенок, ограничивающих камеру сгорания, и направляется внутрь камеры сгорания), при этом система предназначена для установки (в частности, изменения, регулирования) рабочего положения клапана (в частности, степени открывания или степени закрывания клапана) для демпфирования (в частности, уменьшения амплитуды) колебаний (в частности, колебаний давления внутри камеры сгорания, во внутреннем объеме корпуса или колебаний всей системы сгорания) системы.

Таким образом, разделительная стенка может быть фиксирована на радиально наружной части стенки, ограничивающей корпус, и может быть дополнительно фиксирована на радиально внутренней части стенки, ограничивающей корпус. В частности, разделительная стенка может быть расположена в особом положении и с особой ориентацией, с целью разделения внутреннего объема корпуса так, что особенно не желательные резонансные колебания, определяемые геометрией, материалом и номинальными рабочими условиями системы сгорания, уменьшаются или даже исключаются. Таким образом, положение, в котором разделительная стенка закреплена или фиксирована на корпусе в радиально наружной части и радиально внутренней части, можно правильно устанавливать. Кроме того, разделительная стенка может быть расположена во внутреннем объеме корпуса так, что не нарушается значительно поток окислителя, в частности, когда клапан полностью закрыт. Таким образом, разделительная стенка может быть расположена во внутреннем объеме корпуса так, что она находится не непосредственно на пути прохождения окислителя в направлении входа в камеру сгорания.

Было установлено, что поток окислителя (в частности, сжатого воздуха), окружающий камеру сгорания, оказывает влияние на внутренние потоки сгорания, если число Маха за счет завихрителя является относительно небольшим. В частности, посредством установки рабочего положения клапана можно ответвлять конкретное количество сжатого воздуха, так что можно изменять поток текучей среды, окружающий камеру сгорания, в частности, с целью изменения демпфирующей способности для демпфирования колебаний, имеющих конкретные частоты, соответствующие геометрии, в частности размеру отверстий и количеству отверстий разделительной стенки.

В частности, в зависимости от рабочих условий системы сгорания (таких как выходная температура сгорания, входящий поток окислителя в первый объем, поток топлива в направлении камеры сгорания, температура и т.д.) система сгорания (или ее компонент) может совершать колебания на конкретной частоте или в диапазоне частот. В частности, амплитуда колебаний может зависеть от рабочих условий системы сгорания.

За счет обеспечения возможности ответвления части подаваемого окислителя можно изменять амплитуду колебаний, которая демпфируется потоком окислителя, окружающим (и/или входящим) в камеру сгорания (во внутренний объем корпуса). Таким образом, можно достигать эффективного демпфирования системы сгорания для различных рабочих условий, в частности для различных нагрузок.

В частности, нагрузка может изменяться в пределах от 50% до 90% номинальной нагрузки системы сгорания. Колебания, возбуждаемые во время этих различных нагрузок, можно эффективно демпфировать с помощью системы сгорания, согласно одному варианту выполнения данного изобретения, посредством правильной установки рабочих положений клапана.

Клапан можно также называть выпускным клапаном. В частности, выпускной клапан позволяет предварительно устанавливать (в частности, в комбинации с другим управляющим клапаном (клапанами)) скорость потока (или массовый поток или расход потока) окислителя, подаваемого в первую часть объема (и/или в камеру сгорания). В частности, клапан может обеспечивать возможность активного управления скоростью потока окислителя (в частности, сжатого воздуха).

Во время работы системы сгорания рабочее положение клапана может быть либо фиксированным, либо может непрерывно изменяться. Фиксированное рабочее положение клапана можно устанавливать в зависимости от номинальных рабочих условий системы сгорания (которые могут, в частности, определять амплитуду резонансных колебаний). В качестве альтернативного решения, можно непрерывно регулировать рабочее положение клапана или устанавливать на основе измеряемых рабочих свойств системы сгорания.

Согласно одному варианту выполнения данного изобретения клапан предназначен для обеспечения прохождения (направленного) потока текучей среды из второй части объема наружу корпуса в зависимости от рабочего положения клапана.

В то время как вход камеры сгорания находится в соединении по текучей среде с первой частью объема, клапан может быть расположен внутри второй части объема или по меньшей мере в соединении со второй частью объема. Таким образом, вторая часть объема может быть расположена по потоку после первой части объема. При этом «по потоку» следует понимать относительно направления потока смеси топлива и окислителя, т.е. направления прохождения продуктов реакции через камеру сгорания и из нее. В частности, разделительная стенка (в частности, перфорированная пластина) может быть расположена (в частности, в осевом направлении) по потоку после центра (или осевого положения центра) камеры сгорания. Таким образом, в частности, когда камера сгорания является цилиндрической, при этом, в частности, несколько цилиндрических камер сгорания расположены в окружном направлении вокруг осевого направления, центр камеры сгорания может быть определен как центр масс камеры сгорания, расположенный внутри камеры сгорания. Если камера сгорания является кольцевой, проходящей по всей окружности, то центр камеры сгорания может быть определен как центр масс камеры сгорания, расположенный снаружи камеры сгорания. Дополнительно к этому, в частности, осевое положение центра камеры сгорания может быть определено как осевая составляющая центра камеры сгорания. Кроме того, в частности, осевое положение центра камеры сгорания может быть определено как желаемое осевое положение (или среднее осевых положений) одного или нескольких пламеней в камере сгорания.

Кроме того, в частности, клапан может быть расположен в соединении по текучей среде со второй частью объема, при этом клапан может быть расположен по потоку после разделительной стенки. В частности, разделительная стенка может быть расположена во внутреннем объеме корпуса, где имеется относительно застойный поток окислителя, в частности, при нормальных рабочих условиях камеры сгорания. За счет такого расположения или этого позиционирования клапана поток окислителя в направлении камеры сгорания не может быть значительно нарушен, с целью сохранения эффективного процесса сгорания.

Кроме того, за счет такого расположения или такого позиционирования клапана, поток окислителя в нижнюю по потоку зону (в частности, вторую часть объема) может приводить к улучшенному переносу тепла от (в частности, охлаждаемых) горячих частей или компонентов в этой нижней по потоку зоне, в частности горячих компонентов турбинной части высокого давления, когда система сгорания используется в газовой турбине.

Согласно одному варианту выполнения данного изобретения корпус дополнительно содержит вход корпуса для подачи входящего потока окислителя (в частности, содержащего сжатый воздух) в первую часть объема, при этом клапан предназначен для установки рабочего положения клапана так, что между 0% и 20%, в частности, между 0% и 10% входящего потока окислителя, подаваемого в первую часть объема, направляется, в частности через вторую часть объема, для прохождения снаружи корпуса.

За счет ответвления между 0% и 20% входящего потока текучей среды можно эффективно демпфировать амплитуду относительно широкого диапазона колебаний (в частности, имеющих различные частоты внутри конкретного диапазона частот).

В частности, вход корпуса может быть удален от входа камеры сгорания, в частности может быть расположен по потоку после входа камеры сгорания. Таким образом, входящий поток окислителя, подаваемого, например, из компрессора или хранилища воздуха, может содержать часть, в которой входящий поток текучей среды направлен вниз по потоку. После прохождения вдоль направления вниз по потоку (или по меньшей мере имея составляющую, направленную вниз по потоку) входящий поток может изменять направление своего прохождения так, что входное направление направлено вверх по потоку (или по меньшей мере имеет составляющую в направлении вверх по потоку). Таким образом, входящий поток текучей среды может окружать наружные стенки камеры сгорания. Входящий поток текучей среды может проходить вокруг камеры сгорания до достижения входа камеры сгорания (расположенного, в частности, в верхней по потоку части камеры сгорания). Здесь входящий поток текучей среды из окислителя может направляться для входа внутрь камеры сгорания, в которой окислитель смешивается с топливом и сжигается (в частности, в конкретном желаемом положении внутри камеры сгорания).

Согласно одному варианту выполнения данного изобретения система предназначена для установки рабочего положения клапана на основании частоты (в частности, основной частоты) колебаний (в частности, имеющих самую высокую амплитуду). При обычном подходе разделительную стенку можно использовать лишь для демпфирования единственной частоты всей системы. Однако частота колебаний может зависеть от других параметров, чем геометрия системы. В частности, частота колебаний, имеющих наивысшую амплитуду, может зависеть от нескольких рабочих параметров системы сгорания, которые могут изменяться во время работы системы сгорания.

В частности, частоту колебаний, имеющих наивысшую амплитуду, можно определять на основе моделирования системы. Кроме того, демпфирующее действие ответвления различного количества входящего потока текучей среды можно также моделировать и можно регулировать клапан на основе этого моделирования. В частности, регулирование рабочего положения клапана может приводить к изменению частоты колебаний системы сгорания так, что она больше не находится в резонансе. Кроме того, регулирование рабочего положения клапана может приводить к изменению амплитуды колебаний, имеющих конкретную частоту или имеющих конкретный диапазон частот.

Таким образом, можно достигать эффективного демпфирования системы сгорания, в частности, с целью улучшения эффективности системы сгорания и с целью исключения повреждения компонентов системы сгорания во время работы.

Согласно одному варианту выполнения данного изобретения система выполнена с возможностью установки рабочего положения клапана для увеличения потока текучей среды через клапан (в частности, из второй части объема в первую часть объема), если частота колебаний, подлежащих демпфированию, имеет амплитуду выше порогового или предельного значения. Таким образом, если желательно демпфировать колебания, имеющие частоту, которая отлична от частоты колебаний, демпфируемых перед этим, то поток текучей среды через клапан может изменяться, т.е. увеличиваться или уменьшаться. За счет этого можно уменьшать амплитуду подлежащих демпфированию колебаний. За счет этого может быть обеспечена правильная работа системы сгорания.

Согласно одному варианту выполнения данного изобретения система сгорания дополнительно содержит контроллер, соединенный с клапаном (в частности, с помощью электрических и/или оптических линий связи), при этом контроллер предназначен для установки (в частности, посредством передачи сигнала управления, такого как электрический управляющий сигнал или оптический управляющий сигнал) рабочего положения клапана на основе рабочего состоянии системы сгорания.

В частности, контроллер может содержать возможности обработки с целью определения рабочего положения клапана на основе рабочего состоянии системы сгорания. В частности, контроллер может выполнять моделирование системы сгорания с целью определения колебаний системы сгорания в различных рабочих состояниях системы сгорания. Кроме того, контроллер может моделировать действие потока текучей среды в виде окислителя (в частности, сжатого воздуха) вокруг и/или с окружением и/или в камеру сгорания, в частности, относительно его влияния на демпфирование колебаний конкретных частот. В частности, в контроллере может использоваться физическая модель системы сгорания, с целью определения рабочего положения клапана для демпфирования возмущающих колебаний, в частности, для демпфирования колебаний системы сгорания, имеющих наивысшую амплитуду или оказывающих наихудшее влияние на компоненты системы сгорания, в частности, относительно повреждения этих компонентов.

За счет этого система сгорания может быть надежной и может эффективно работать.

Согласно одному варианту выполнения данного изобретения контроллер предназначен для установки рабочего положения клапана на основании обнаруженных колебаний камеры сгорания, корпуса и/или системы сгорания, и/или на основе выходной температуры камеры сгорания (в частности, измеренной и/или моделированной, температуры сжигаемой смеси топлива и окислителя, выходящей из камеры сгорания), и/или на основе входящего потока текучей среды (в частности, скорости потока или скорости массового потока) в виде окислителя, и/или на основе потока топлива (расхода объемного или массового потока), подаваемого в камеру сгорания, и/или на основе материала и/или геометрии системы.

В частности, контроллер может выполнять физическое моделирование системы сгорания с целью определения колебаний системы и определения подходящего потока текучей среды через клапан для демпфирования возмущающих колебаний. За счет этого может быть дополнительно улучшена функция демпфирования.

Согласно одному варианту выполнения данного изобретения разделительная стенка расположена в осевом направлении ниже по потоку, определяемому с помощью направления потока продуктов сгорания, выходящих из камеры сгорания, центра камеры сгорания (при этом, в частности, в центре или по потоку после центра камеры сгорания зажигается и поддерживается пламя, представляющее химическую реакцию между топливом и окислителем). За счет этого, при номинальных условиях разделительная стенка не возмущает входящий поток текучей среды из окислителя в камеру сгорания, с целью улучшения эффективности системы сгорания. В частности, несколько камер сгорания могут быть кольцеобразно расположены вокруг осевого направления. Кроме того, разделительная стенка может быть кольцевой (в частности, перфорированной) пластиной, расположенной по потоку после множества камер сгорания.

Согласно одному варианту выполнения данного изобретения отверстие (или множество отверстий) разделительной стенки имеют форму усеченного конуса. За счет этого форма стенки может оказывать влияние на характеристики потока текучей среды через отверстия, с целью достижения улучшенного управления потоком текучей среды и/или еще лучшего действия демпфирования.

Согласно одному варианту выполнения данного изобретения разделительная стенка дополнительно содержит по меньшей мере одно другое отверстие (или множество других отверстий), при этом другое отверстие расположено, в частности, в радиальном положении, отличном от радиального положения отверстия (или множества отверстий) при этом, в частности, отверстие и другое отверстие имеют противоположно направленные формы усеченного конуса (обеспечивающие увеличения или уменьшение площади поперечного сечения или размера вдоль пути через разделительную стенку) или прямые формы (обеспечивающие по меньшей мере приблизительно постоянную площадь поперечного сечения или размер вдоль пути через разделительную стенку).

За счет этого часть входящего потока текучей среды, вводимого через первую часть объема во вторую часть объема, может проходить обратно из второй части объема в первую часть объема. Для каждого направления потока (из первой части объема во вторую часть объема либо из второй части объема в первую часть объема) любое из отверстий или других отверстий может быть предпочтительным за счет формы (и/или положения) отверстия или другого отверстия. За счет этого поток текучей среды может направляться из первой части объема во вторую часть объема и из второй части объема в первую часть объема более управляемым образом. За счет этого может быть дополнительно улучшено действие демпфирования.

Согласно одному варианту выполнения данного изобретения разделительная стенка окружает в окружном направлении продольную ось (или осевое направление) камеры сгорания. За счет этого, в качестве разделительной стенки может быть предусмотрена, в частности, кольцевая (перфорированная) пластина, в которой сформировано, в частности, два кольца отверстий, которые имеют различные радиусы. В частности, множество отверстий, а также множество других отверстий могут быть расположены на расстоянии друг от друга в окружном направлении, при этом окружное расстояние между двумя отверстиями может быть постоянным и при этом окружное расстояние между двумя другими отверстиями может быть также постоянным.

В частности, разделительная стенка может быть закреплена на радиально внутренней части корпуса в первом осевом положении и может быть закреплена на радиально другой части корпус во втором осевом положении, при этом второе осевое положение находится по потоку после первого осевого положения. В частности, поверхность разделительной стенки, содержащая отверстие и/или другое отверстие, может содержать нормальный к поверхности вектор, который наклонен относительно осевого направления. В частности, угол наклона может быть между 10° и 50°, в частности между 20° и 45°.

Согласно одному аспекту изобретения предлагается турбина, в частности газовая турбина, при этом турбина содержит систему сгорания согласно одному из указанных выше вариантов выполнения. За счет этого эффективность турбины может быть увеличена по сравнению с обычной турбиной. Кроме того, срок службы компонентов турбины может быть удлинен по сравнению с обычной турбиной.

Согласно одному варианту выполнения данного изобретения турбина содержит турбинную часть высокого давления (содержащую множество направляющих лопаток, соединенных с корпусом, а также рабочих лопаток, соединенных с ротором, установленным с возможностью вращения относительно корпуса), приводимую в действие с помощью сжигаемой смеси топлива и окислителя, выходящей из камеры сгорания, при этом часть корпуса, по меньшей мере частично ограничивающая вторую часть объема, находится в тепловом контакте с частью пути прохождения с высоким давлением выходящей сжигаемой смеси. За счет этого входящий поток текучей среды, входящий во вторую часть объема, может эффективно охлаждать компоненты, ограничивающие часть пути прохождения с высоким давлением, с целью улучшения эффективности турбины.

Следует понимать, что признаки (по отдельности или в любой комбинации), раскрытые, описанные, применяемые или упомянутые относительно одного варианта выполнения системы сгорания, можно также применять или использовать для способа работы системы сгорания, и наоборот.

Согласно одному аспекту данного изобретения предлагается способ работы системы сгорания, при этом способ содержит обеспечение соединения по текучей среде между первой частью объема и второй частью объема, при этом первая часть объема и вторая часть объема образованы посредством разделения внутреннего объема корпуса с использованием разделительной стенки, при этом в корпусе расположена камера сгорания; с обеспечением возможности прохождения выходного потока текучей среды из внутреннего объема корпуса наружу корпуса в зависимости от рабочего положения клапана, при этом вход камеры сгорания для подачи окислителя в камеру сгорания соединен по текучей среде с первой частью объема; и установки рабочего положения клапана для демпфирования колебаний системы.

Следует отметить, что описание вариантов выполнения изобретения было дано применительно к различным предметам изобретения. В частности, описание некоторых вариантов выполнения было дано применительно к способу, в то время как описание других вариантов выполнения было дано применительно к устройству.

Однако для специалистов в данной области техники из приведенного выше и последующего описания понятно, что если не указано другое, дополнительно к любой комбинации признаков, относящихся к одному предмету изобретения, а также любую комбинацию между признаками, относящимися к различным предметам изобретения, в частности, между признаками способа и признаками устройства, следует рассматривать как раскрытые в этом документе.

Ниже приводится описание вариантов выполнения данного изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, при этом изобретение не ограничивается указанными или показанными вариантами выполнения. Указание позиций в формуле изобретения не должно пониматься как ограничивающее объем изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На чертежах изображено:

фиг. 1 - разрез системы сгорания согласно одному варианту выполнения данного изобретения, частично в изометрической проекции;

фиг. 2 - разделительная стенка (в частности, перфорированная разделительная пластина), которая используется в системе сгорания, показанной на фиг. 1.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Система 100 сгорания согласно одному варианту выполнения данного изобретения, показанная на фиг. 1, содержит корпус 101, камеру 103 сгорания, расположенную внутри корпуса 101, разделительную стенку 105, разделяющую внутренний объем корпуса на первую часть 107 объема и вторую часть 109 объема, при этом разделительная стенка 105 имеет по меньшей мере одно отверстие 111, 113 для обеспечения соединения по текучей среде между первой частью 107 объема и второй частью 109 объема. Кроме того, система 100 сгорания содержит клапан 115, который расположен на корпусе 101 (в частности, на стенке корпуса 101) и обеспечивает возможность прохождения через трубу 117 выходящей текучей среды 131f, 116 из второй части 109 внутреннего объема корпуса в наружное пространство 119 корпуса 101.

Камера 103 сгорания имеет вход 121 для подачи окислителя, в частности сжатого воздуха, в камеру сгорания, в частности во внутреннее пространство 123 камеры 103 сгорания. Вход 121 камеры сгорания соединен по текучей среде с первой частью 107 объема.

Система 100 сгорания дополнительно содержит контроллер 125, который предназначен для установки рабочего положения клапана 115 через линию 127 управления посредством передачи управляющего сигнала 128 для демпфирования колебаний системы 100 сгорания. Контроллер 125 может работать в соответствии с несколькими различными режимами работы, как будет пояснено ниже.

Корпус 101 дополнительно содержит вход 129 корпуса для подачи сжатого воздуха в первую часть 107 объема, при этом поток сжатого воздуха проходит в направлении, обозначенном стрелками 131, в частности стрелками 131а, 131b, 131c, 131d и 131е. В частности, сжатый воздух входит через вход 129 корпуса, проходит в направлении 131а, которое имеет составляющую вдоль направления 133 вниз по потоку, которое представляет осевое направление системы 100 сгорания, при этом система 100 сгорания содержит, в частности, несколько (например, 12) камер 103 сгорания, которые расположены кольцеобразно вокруг осевого направления 133.

После прохождения вдоль направления 131а (по меньшей мере частично вдоль направления 133 вниз по потоку) сжатый воздух изменяет свое направление для прохождения вдоль направления 131b, которое противоположно (или по меньшей мере частично противоположно) направлению 133 вниз по потоку, имея тем самым составляющую в направлении вверх по потоку. Кроме того, сжатый воздух проходит также вокруг или окружает камеру 103 сгорания вдоль направления 131с, при этом поток текучей среды в виде сжатого воздуха находится в контакте с наружной стенкой 135 камеры сгорания.

Часть сжатого воздуха, входящего (через вход 129 корпуса) в первую часть 107 объема, направляется в направлении разделительной стенки 105, как показано с помощью стрелки 131е направления потока.

Разделительная стенка 105 показана более детально в изометрической проекции на фиг. 2. Разделительная стенка 105, которая выполнена здесь в виде перфорированной пластины 105, содержит множество отверстий 111, которые находятся в радиальном положении r1, и дополнительно содержит множество отверстий 113, которые расположены в другом радиальном положении r2. Как показано на фиг. 2, все отверстия 111 находятся в одинаковом радиальном положении r1, и все отверстия 113 находятся в одинаковом радиальном положении r2. За счет этого первые отверстия 111 расположены на окружном расстоянии 137 друг от друга, в то время как вторые отверстия 113 расположены на окружном расстоянии 139 друг от друга. Радиальные направления лежат в плоскости, образованной направлениями 132, 134, перпендикулярными осевому направлению 133. Перфорированная пластина 105 имеет кольцевую структуру, имеющую ось симметрии вдоль осевого направления 133.

Как показано на фиг. 1, а также на фиг. 2 перфорированная пластина 105 закреплена на радиально внутренней части корпуса 101 в первом осевом положении 141 и закреплена на радиально наружной части корпуса 101 во втором осевом положении 143, которое находится по потоку ниже первого осевого положения 141.

Отверстия 111, 113 могут быть прямыми отверстиями через разделительную стенку 105 или могут иметь форму усеченного конуса, так что у первой части объема или у второй части объема площадь поперечного сечения или размер отверстий 111, 113 больше, чем на противоположной стороне разделительной пластины. Кроме того, отверстия 111, 113 в разделительной стенке 105 могут иметь различные формы, например круглые, эллиптические, треугольные, квадратные, многоугольные формы и т.д.

Как показано с помощью двойной стрелки 145, сжатый воздух, вводимый в первую часть 107 объема, может проходить через отверстия 111, 113 для достижения второй части 109 объема вдоль направления 131f или 131g. В частности, часть 131е сжатого воздуха, проходящая из первой части 107 объема во вторую часть 109 объема, может составлять между 0% и 20% всего входящего потока сжатого воздуха, вводимого во внутренний объем корпуса через вход 129 корпуса.

Часть (часть 131g, 116) сжатого воздуха, вводимого во вторую часть 109 объема в направлении 131е, проходит обратно через отверстия 111 и/или 113 в первую часть 107 объема. Другая часть 131f сжатого воздуха, которая вводится во вторую часть 109 объема, выпускается через трубу 117 и клапан 115 наружу корпуса 101.

Количество сжатого воздуха 131f, выпускаемого через клапан 115, управляется с помощью рабочего положения клапана 115, которое в свою очередь управляется с помощью контроллера 125 в соответствии с несколькими режимами управления.

В первом режиме управления клапан устанавливается с помощью контроллера так, что (остаточный) массовый поток в камеру сгорания или вокруг нее или в первую часть объема или во вторую часть объема определяется так, что удерживается постоянная температура на выходе камеры сгорания внутри диапазона нагрузки системы 100 сгорания. Для этого режима управления контроллер 125 может принимать, используя входной терминал 147, сигнал 148, указывающий фактическую или моделированную выходную температуру камеры сгорания.

Одновременно контроллер может управлять рабочим положением клапана 115, с целью демпфирования колебаний системы 100 сгорания, имеющих конкретную не желательную частоту или частоту возбуждения с большой амплитудой.

Согласно второму режиму управления контроллер устанавливает рабочее положение клапана 115 так, что устанавливается заданный массовый поток сжатого воздуха через выпускной клапан 115 внутри диапазона нагрузки.

В любом из режимов управления выходящий из клапана воздух можно направлять в компрессорную часть или турбинную часть (когда система сгорания используется внутри газовой турбины), или в выпускную часть.

Согласно третьему режиму управления с помощью контроллера 125 реализуется контур управления с обратной связью относительно массового потока позади перфорированной пластины 105. Поэтому контроллер 125 принимает сигнал 148, относящейся к динамике сгорания (например, из датчиков существующих двигателей) в качестве основного входного параметра. Другие входные параметры могут содержать выходную температуру сгорания, определяемую, например, с помощью имеющихся датчиков двигателя. В третьем режиме управления контроллер 125 определяет реакцию на принятые входные параметры посредством управления положением открывания клапана 115. В частности, для увеличения частоты подлежащих демпфированию колебаний можно устанавливать рабочее положение клапана для уменьшения массового потока сжатого воздуха 131f через клапан 115 наружу 129 корпуса 101.

В любом из режимов управления, выпускаемый из клапана 115 поток можно направлять к входу компрессора (когда система сгорания используется в газовой турбине) или в выпускную часть.

С помощью вариантов выполнения данного изобретения можно изменять собственную частоту колебаний камеры сгорания или всей системы сгорания, так что они не могут быть усилены камерой сгорания или пламени в положении 149 пламени внутри камеры 103 сгорания. Показан также центр 151 камеры 103 сгорания.

Кроме того, в некоторых вариантах выполнения данного изобретения некоторая часть потока 131f сжатого воздуха может направляться на горячие части 153 (представленные частью стенки корпуса 101) или на компоненты вблизи частей 153, такие как направляющие лопасти сопла и/или несущие направляющие сопла кольца. Кроме того, может быть улучшен перенос тепла за счет конвекции во второй части 109 объема или в нижней по потоку зоне 155, что приводит к дальнейшему улучшению функции охлаждения.

Кроме того, за счет демпфирования колебаний может быть удлинен срок службы системы сгорания или турбины. В частности, варианты выполнения данного изобретения направлены на активное демпфирование амплитуд колебаний ключевых частот корпуса 101, камеры 103 сгорания или других компонентов системы 100 сгорания за счет использования перфорированной пластины 105 и выпускного клапана 115 с применением алгоритма управления с обратной связью, с помощью которого определяется необходимый для выпуска массовый поток и/или температура внутри камеры 103 сгорания или корпуса 101.

Следует отметить, что понятие «содержит» не исключает другие элементы или стадии, а неопределенный артикль “a” или “an” не исключает множественности. Также элементы, описание которых приведено в связи с различными вариантами выполнения, можно комбинировать друг с другом. Следует также отметить, что указание позиций в формуле изобретения не должно рассматриваться как ограничение объема изобретения.

Система сгорания содержит корпус, камеру сгорания, расположенную внутри корпуса, разделительную стенку, клапан, расположенный на корпусе. Внутренний объем корпуса определен как объем внутри корпуса, но снаружи камеры сгорания. Разделительная стенка разделяет внутренний объем корпуса на первую и вторую части объема и имеет по меньшей мере одно отверстие для обеспечения соединения по текучей среде между первой и второй частями объема. Клапан расположен на корпусе для обеспечения прохождения выходного потока текучей среды из внутреннего объема корпуса наружу корпуса в зависимости от рабочего положения клапана. Камера сгорания имеет вход для подачи окислителя в камеру сгорания. Вход находится в соединении по текучей среде с первой частью объема. Система выполнена с возможностью установки рабочего положения клапана для демпфирования колебаний системы. Изобретение направлено на уменьшение или демпфирование колебаний, влияющих на эффективность системы сгорания или турбины. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система (100) сгорания, содержащая:
- корпус (101);
- камеру (103) сгорания, расположенную внутри корпуса (101), при этом внутренний объем (107, 109) корпуса определен как объем внутри корпуса, но снаружи камеры сгорания;
- разделительную стенку (105), разделяющую внутренний объем корпуса на первую часть (107) объема и вторую часть (109) объема, при этом разделительная стенка имеет по меньшей мере одно отверстие (111, 113) для обеспечения соединения (145) по текучей среде между первой частью (107) объема и второй частью (109) объема; и
- клапан (115), расположенный на корпусе, для обеспечения прохождения выходного потока (116) текучей среды из внутреннего объема (107, 109) корпуса наружу (119) корпуса (101), в зависимости от рабочего положения клапана;
при этом камера сгорания имеет вход (121) для подачи окислителя в камеру (103) сгорания, при этом вход (121) находится в соединении по текучей среде с первой частью (107) объема,
при этом система (100, 125) выполнена с возможностью установки рабочего положения клапана для демпфирования колебаний системы.

2. Система по п. 1, в которой клапан (115) расположен с возможностью обеспечения прохождения потока текучей среды из второй части (109) объема наружу корпуса в зависимости от рабочего положения клапана.

3. Система по любому из пп. 1 или 2, в которой корпус дополнительно содержит вход (129) корпуса для подачи входящего потока (131а-131е) текучей среды из окислителя в первую часть (107) объема, при этом клапан выполнен с возможностью установки рабочего положения клапана так, что между 0% и 20%, в частности между 0% и 10%, входящего потока текучей среды из окислителя, подаваемого в первую часть объема, направляется, в частности, через вторую часть объема, для прохождения наружу корпуса.

4. Система по любому из пп. 1 или 2, в которой система выполнена с возможностью установки рабочего положения клапана на основании амплитуды колебаний.

5. Система по любому из пп. 1 или 2, в которой система выполнена с возможностью установки рабочего положения клапана для увеличения потока текучей среды через клапан, если амплитуда колебаний, подлежащих демпфированию, возрастает.

6. Система по п. 4, дополнительно содержащая:
- контроллер (125), соединенный с возможностью связи (127) с клапаном (115),
при этом контроллер выполнен с возможностью установки рабочего положения клапана на основе рабочего состояния (148) системы сгорания.

7. Система по п. 5, дополнительно содержащая:
- контроллер (125), соединенный с возможностью связи (127) с клапаном (115),
при этом контроллер выполнен с возможностью установки рабочего положения клапана на основе рабочего состояния (148) системы сгорания.

8. Система по п. 6, в которой контроллер выполнен с возможностью установки рабочего положения клапана на основании обнаруженных колебаний камеры сгорания, корпуса и/или системы сгорания, и/или на основе выходной температуры камеры сгорания, и/или на основе входящего потока текучей среды в виде окислителя, и/или на основе потока топлива, подаваемого в камеру сгорания, и/или на основе материала и/или геометрии системы.

9. Система по п. 7, в которой контроллер выполнен с возможностью установки рабочего положения клапана на основании обнаруженных колебаний камеры сгорания, корпуса и/или системы сгорания, и/или на основе выходной температуры камеры сгорания и/или на основе входящего потока текучей среды в виде окислителя, и/или на основе потока топлива, подаваемого в камеру сгорания, и/или на основе материала и/или геометрии системы.

10. Система по любому из пп. 1 или 2, в которой разделительная стенка окружает в окружном направлении продольную ось (133) камеры сгорания.

11. Система по любому из пп. 1 или 2, в которой разделительная стенка дополнительно содержит:
- по меньшей мере одно другое отверстие (113), при этом другое отверстие расположено, в частности, в радиальном положении (r2), отличном от радиального положения (r1) отверстия (111), при этом, в частности, отверстие и другое отверстие имеют противоположно направленные формы усеченного конуса.

12. Система по любому из пп. 1 или 2, в которой отверстие (111, 113) разделительной стенки имеет форму усеченного конуса.

13. Система по любому из пп. 1 или 2, в которой разделительная стенка расположена в осевом направлении ниже по потоку, определяемому направлением потока продуктов сгорания, выходящих из камеры (103) сгорания от центра (151) камеры (103) сгорания.

14. Турбина, в частности газовая турбина, при этом турбина содержит систему (100) сгорания по любому из пп. 1-13.

15. Турбина по п. 14, содержащая турбинную часть высокого давления, приводимую в действие с помощью сжигаемой смеси топлива и окислителя, выходящей из камеры сгорания, при этом часть (153) корпуса, по меньшей мере частично ограничивающая вторую часть (109) объема, находится в тепловом контакте с частью пути прохождения с высоким давлением выходящей сжигаемой смеси.

16. Способ работы системы (100) сгорания по любому из пп. 1-13, при осуществлении которого устанавливают рабочее положение клапана (115), обеспечивающего прохождение выходного потока (116) текучей среды из внутреннего объема (107, 109) корпуса наружу (119) корпуса (101), для демпфирования колебаний системы.