CN101061353B - 具有至少两个谐振器装置的尤其用于燃气轮机的燃烧室 - Google Patents
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Abstract
一种根据本发明的燃烧室，其尤其用于一燃气轮机，所述燃烧室包括至少一个燃烧室壁(3)和至少一个谐振器装置(5，6)，冷流体穿过所述至少一个燃烧室壁(3)而流动。所述根据本发明的燃烧室(1)的卓越之处在于，所述谐振器装置(5，6)以一使所述冷流体流流经那里的方式集成到所述燃烧室壁(3)中。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃气轮机，其具有至少一燃烧室和至少两个用于阻尼燃烧室中的声振荡的谐振器装置。
背景技术
燃气轮机设备包括例如，一压缩机和一燃烧室，以及一轮机。压缩机用于压缩入口空气与一随后的燃料相混合。混合物在燃烧室中发生燃烧，其中燃烧废气被传递到轮机。在轮机处，从燃烧的废气中提取热量并将其转换为机械能。
然而，由于燃料质量的不稳定和其它热干扰或声干扰，导致所释放的热量的量不稳定，且因此导致设备的热力学效率不稳定。在此情况下，存在声干扰与热干扰的相互作用，所述相互作用可使它们自身增加。燃气轮机(或通常也称为燃烧机器)的燃烧室中，具有上述性质的热声振荡在设计和操作用于燃气轮机或燃烧机器的新的燃烧室、燃烧室零件和燃烧器方面表现出问题。
燃烧过程中所产生的废气具有较高温度。因此用冷却空气来稀释所述废气，以便将温度降低到燃烧室壁和轮机组件可维持的水平。冷却空气通过燃烧室壁中的冷却空气开口传递到燃烧室中。另外，所谓的密封空气传递到燃烧室中，所述密封空气即用于防止热气从燃烧室进入燃烧室的热保护衬里的相邻元件之间的间隙中的空气。在上述情况下，密封空气通过热保护衬里的相邻元件之间的间隙而被吹入燃烧室中。
然而，用冷却和密封空气来稀释燃烧气体导致较高程度的污染物排放。为了减少燃气轮机的污染物排放，因此在现代设备中，使冷却和密封气流保持较低。然而，因此也减少了声阻尼效应，使得热声振荡可能增加。这可能涉及热干扰与声干扰之间的相互作用互相增加，这样可能导致燃烧室的高水平的应力和负载，且导致排放增加。
因此，在当前技术发展水平下，出于减少热声振荡的目的，使用(例如)Helmholtz谐振器来阻尼燃气轮机的燃烧室中的热声振荡，所述Helmholtz谐振器阻尼所述振荡的振幅。
为了能够阻尼较大频率范围内的热声振荡，DE 33 24 805 Al中提出使用包含不同谐振频率的两个或两个以上Helmholtz谐振器，其横向排列在通向燃烧室的空气通道处。在上述情况下，每个Helmholtz谐振器阻尼不同频率的声振荡。应当注意，必须另外使用冷却空气。无论是增加了冷却空气消耗，还是意味着可以用较少的冷却空气冷却燃烧废气，都将使燃烧废气中污染物成比例增加。
因此，需要一种燃烧室和一种燃气轮机，其中不同阻尼装置的排列使额外冷却空气的需求可保持相对较低。
发明内容
一种尤其用于燃气轮机的根据本发明的燃烧室，包括至少一个燃烧室壁和至少两个谐振器装置，冷流体(明确地说冷却空气)穿过所述至少一个燃烧室壁而流动。所述至少两个谐振器装置集成于所述燃烧室壁中，以使所述冷流体流流过，其中所述谐振器装置中的至少一个具有一使得该谐振器装置充当一高频谐振器的谐振频率，所述燃烧室的特征在于，所述谐振器装置中的至少一个具有一使得该谐振器装置充当一中频谐振器的谐振频率，且所述谐振器装置使所述冷流体流的部分流平行流过每一个所述谐振器装置、使所述冷流体流的部分流依次连接地流过每一个所述谐振器装置，或使所述冷流体流的部分流既平行又依次连接地流动每一个所述谐振器装置。在此方面，使用术语谐振器装置来表示用于阻尼声振荡的阻尼装置，所述阻尼装置包括至少一个Helmholtz谐振器。根据本发明的燃烧室的卓越之处在于，谐振器装置集成到所述燃烧室壁中，以使冷流体流流过。
在根据本发明的燃烧室中，谐振器装置集成到所述燃烧室壁中，以使冷流体流流过的事实规定，用于冷却谐振器装置的冷流体流还仍然可用于冷却室壁，和/或用于密封间隙，和/或用于稀释燃烧废气。以此方式，燃烧废气中的污染物含量可保持在较低水平，且同时可借助谐振器装置来有效地减少热声振荡的影响。
优选地，燃烧室具有至少两个具有不同谐振频率的谐振器装置。至少一个谐振器装置可呈高频阻尼装置的形式，且至少一个谐振器装置可呈中频阻尼装置的形式。
在上述情况下，根据本申请，术语高频优选地用于表示约250赫兹(尤其是约500赫兹)以上的范围。术语中频或中频范围优选地用于表示约30赫兹与750赫兹之间的范围，(尤其是50赫兹与500赫兹之间的范围)。然而，指定值和范围存在最高达50％的偏差也是可能的。
分成两个频带(其中各个频带中的振荡由不同的谐振器装置来阻尼)允许有效地减少所发生的振荡。频带可重叠(尤其在边缘处)，但不是必须重叠。另外，也可能使用三个或三个以上不同频带，即在谐振频率方面各不相同的三个或三个以上谐振器装置。
复数个谐振器装置优选地以其每一个都集成到所述燃烧室壁中，以使冷流体流流过。所述各谐振器装置集成于所述燃烧室壁中，以使所述冷流体流的部分流流过每一个所述谐振器装置。在上述情况下，复数个谐振器装置可以集成到所述燃烧室壁中，以使冷流体流的部分流平行流过每一个所述谐振器装置、使所述冷流体流的部分流依次连接地流过每一个所述谐振器装置，或使所述冷流体流的部分流既平行又依次连接地流动每一个所述谐振器装置。以上述方式，可明确且有目标地调节个别谐振器装置中的流动情况，并因此调节谐振器装置中主导的情况。
冷流体流可具有包括不同压力的特别区域。复数个谐振器装置中的每一个都具有至少一个入口作为流进口和至少一个出口作为流出口，具有第一谐振频率的谐振器装置的入口或出口然后可被连接到一压力水平，该压力水平与具有第二谐振频率的谐振器装置的入口或出口连接到的压力水平不同，所述第二谐振频率不同于第一谐振频率。通过为谐振器装置的各个入口和出口选择合适的压力，可以明确且有目标地调节各个谐振器装置中的流动情况，并因此可以调节谐振器装置中主导的一般情况。
优选地，穿过谐振器装置的流与穿过进入燃烧室中流体的进口的进口阀的流体成平行关系而连接。
根据本发明的燃气轮机包括至少一个根据本发明的燃烧室。
尽管在此所大概描述的发明是关于燃气轮机的，但本发明的用途不仅仅限于燃气轮机。它也可以用于其它轮机和燃烧机器。
参看附图，从下文以举例方式对实施例的描述中将了解本发明更多的特征、特性和优势。
附图说明
图1是根据本发明的燃烧室的实施例的图解视图。
具体实施方式
图1以举根据本发明的燃烧室作为实例，用图解法展示来自燃气轮机2的燃烧室1的顶板24的一部分作为实施例。燃气轮机2包括外壳18，所述外壳环绕燃烧室1。在燃烧室1处提供燃烧器20，图中仅说明燃烧器20的一部分，且在燃烧器20的侧部处配置复数个空气进口阀25，该空气进口阀25用于馈送用于燃烧过程的空气(图1中仅可看见复数个空气进口阀25中的一个)。空气穿过室壁3到达空气进口阀25。室壁3包括后室壁26和衬里4，衬里4形成前室壁。所述配置中的后室壁26与衬里4之间的中间空间23形成至少一个流动通道，以用于将空气馈送到空气进口阀25。流经流动通道的空气不仅仅用于燃烧过程，还作为用于冷却衬里4的冷却空气和/或视情况作为用于阻塞衬里4的相邻元件之间的间隙的密封空气。
与燃烧室1相连的是用于阻尼热声振荡的谐振器装置5、6，其在顶板24的区域中集成到燃烧室1的室壁3中，明确地说集成到衬里4中。在上述关系下中，一谐振器装置5用于阻尼中频范围内的热声振荡，且包括一Helmholtz谐振器9(下文称为IF谐振器)。另一谐振器装置6用于阻尼高频范围内的热声振荡，且包括两个Helmholtz谐振器7、8(下文称为HF谐振器)。尽管图1中仅说明两个谐振器装置5、6，但燃烧室1还可包括另外的谐振器装置。另外，不一定需要将Helmholtz谐振器配置在燃烧室的顶板中。举例来说，在环形燃烧室中，两个或两个以上的谐振器装置5、6可分布在室壁3的周边上。它们还可在谐振频率方面与图1中所示的谐振器装置5、6不同。
谐振器7、8、9配置在冷却空气流中和/或密封空气流中。Helmholtz谐振器7、8、9的每一个都具有各自的谐振器容积，以及至少一个入口12、21、22作为流进口和至少一个出口15、16、17、21、22作为流出口，进口和出口的流直径小于谐振器容积的流直径。由于空气流通过不同流横截面的部分，所以施加于流上的是用于阻尼热声振荡的谐振振荡。谐振频率以及对于热声振荡的阻尼最为有效时所对应的频率取决于谐振器容积的量值。
HF谐振器7、8的入口21、22同时为IF谐振器9的出口。IF谐振器9的另一出口15和HF谐振器7、8的出口16、17通向燃气轮机2的燃烧室1，在燃烧室1处，所述出口15、16、17充当冷却和/或密封空气出口。
空气流从压缩机通风空间(compressor plenum)13中产生，在压缩机通风空间13中，压力P3导向衬里4与后壁26之间的中间空间23中，且在那里沿着流动路径19。在上述情况下，燃烧室壁3的衬里4由流动空气冷却。被传递的空气接着进入燃烧器通风空间14，所述压力被减小为压力P2。
从燃烧室通风空间14开始，空气流的主要部分沿流动路径11经过空气进口阀25进入燃烧室1中。与此平行，空气流的一部分沿流动路径10经过入口12进入IF谐振器9中，在IF谐振器9处存在压力PIF，其低于燃烧室通风空间14中的压力P2。所述空气流的一部分接着通过出口15从IF谐振器9中流出，直接进入燃烧室1中，在燃烧室1中，获得压力PCC，而另一部分流通过出口21、22进入HF谐振器7、8中，在HF谐振器7、8中获得压力PHF，其低于IF谐振器9中的压力PIF且高于燃烧室1中的压力PCC。IF谐振器的出口21、22同时用作HF谐振器的入口。通过出口和入口21、22引入HF谐振器7、8中的部分空气流最终也通过出口16、17流动到燃烧室1中，在燃烧室1中，获得比燃烧室通风空间14中的压力低的压力PCC。因此，传递到谐振器9中的空气流被分成三个不同的部分空气流。两个部分空气流传递到HF谐振器7、8，而第三部分空气流从IF谐振器直接传递到燃烧室1中。
连接谐振器的方式提供相当大的优势。用于中频范围的IF谐振器9比用于高频范围的HF谐振器7、8需要显著更大的容积。总的来说，可通过IF谐振器与HF谐振器的合适的并联和串联连接来优化所需的结构容积。在上述关系中，优选地将高频范围的至少一个谐振器和中频范围的至少一个谐振器集成到燃烧室壁3中。
燃烧室1中主导的压力PCC比压力P3低约3-6％，也就是说，与P3有关的压力减少量ΔP/P3约为3-6％。将所述压力减少量分成壁冷却通道中的约1-2.5％的压力减少量(从P3到P2)和穿过谐振器的空气通道中的约2-3.5％的压力减少量(从P2到PCC)。
在根据本发明的燃烧室的替代配置中，用于高频范围(HF范围)的谐振器与用于中频范围(中间频率)(IF范围)的谐振器的连接是，其包括HF谐振器与处于压力P3的压缩机通风空间13的连接和IF谐振器与处于压力P2的燃烧器通风空间14的连接。在所述情况下，可自由地选择相对于面积的比率以及HF范围与IF范围之间的容积。
Claims (4)
1.一种燃烧室，其用于一燃气轮机，所述燃烧室具有至少一个燃烧室壁和至少两个具有不同谐振频率的谐振器装置，冷流体穿过所述至少一个燃烧室壁而流动，所述至少两个谐振器装置集成于所述燃烧室壁中，以使冷流体流流过，其中所述谐振器装置中的至少一个具有一使得该谐振器装置充当一高频谐振器的谐振频率，所述燃烧室的特征在于，所述谐振器装置中的至少一个具有一使得该谐振器装置充当一中频谐振器的谐振频率，且所述谐振器装置使所述冷流体流的部分流平行流过每一个所述谐振器装置、使所述冷流体流的部分流依次连接地流过每一个所述谐振器装置，或使所述冷流体流的部分流既平行又依次连接地流动每一个所述谐振器装置。
2.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述冷流体流具有包含不同压力的区域，所述谐振器装置的每一个都具有至少一个入口作为一流进口和至少一个出口作为一流出口，且具有第一谐振频率的谐振器装置的入口或出口连接到一压力水平，所述压力水平与具有第二谐振频率的谐振器装置的入口或出口连接到的压力水平是不同的，所述第二谐振频率是指所述至少两个不同谐振频率的谐振器装置中一个的谐振频率，所述第一谐振频率是指所述至少两个不同谐振频率的谐振器装置中另一个的谐振频率。
3.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，存在一进口阀，所述进口阀用于将一流体吸入到所述燃烧室中，且穿过所述谐振器装置的所述流与穿过所述进口阀的所述流体成平行关系而连接。
4.一种具有至少一个根据权利要求1所述的燃烧室的燃气轮机。
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