CN102356278B - 燃气轮机燃烧系统 - Google Patents

Abstract

一种燃气轮机燃烧系统包括限定了用于受热和受压燃烧气体(29)的流动通道的燃烧系统壁(25)以及至少一个具有谐振器容积(31)的谐振器(27)。所述谐振器容积(31)由谐振器壁(25、33、35)限定，其中一个谐振器壁(25)靠近或者由燃烧系统壁(25)形成。谐振器(27)包括至少一个通向冷却流体源的冷却流体供给开口(41)。它还包括颈部开口(37)，所述颈部开口(37)通向流动通道并且以颈部槽(37)的形式实现。

Description

燃气轮机燃烧系统

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机燃烧系统，特别是包括谐振器的燃气轮机燃烧系统。此外，本发明涉及一种燃气轮机。

背景技术

使用贫燃预先混合燃烧技术的燃气轮机燃烧系统表明一种向着自励的声振荡的趋势。这种现象的原因是火焰中的热释放与燃烧系统中的压力级别的相互作用。在特定条件压力下，可以产生压力振荡，其导致了燃烧器中的噪音。在特定的频率，会出现这种压力振荡的放大，导致在燃烧器中非常高的声压等级，为了避免燃烧器结构的损坏，必需关闭引擎。

在燃气轮机燃烧系统中，谐振器是一种通用的装置，用于在倾向于被激励的频率下，提供压力振荡的额外衰减和解调。尤其避免高频率动力（HFD）的谐振器经常使用在现代的燃气轮机燃烧室内。包括谐振器的燃烧系统，例如，在美国专利6，530，221B1中有所描述。那里说明的谐振器包括一列冷却空气供给孔和一列连接谐振器容积到燃烧系统的燃烧空间的颈部孔，在该燃烧系统的燃烧空间处的声振荡需要被衰减。为了防止热燃烧气体进入颈部孔，这些孔由冷却气体吹洗。然而，在安装谐振器的区域，需要冷却空气的谐振器可能阻止燃烧器衬里（liner）上的热障涂层。因此，如果不能提供足够的冷却空气或者燃烧器的热障涂层，由于局部过热，它们可以减少燃烧器衬里的生命周期。此外，颈部孔列在当它为了随后的热障涂层被遮挡（masked）时，在生产过程中需要高作用力(effort)。使用小直径的孔，由于谐振器最有效的频率对被热障涂层的厚度影响的孔的有效长度敏感，遮挡必须仔细地完成。如果用于在设置的公差限制内遮挡的作用力太高，它可能甚至阻碍涂层。在这种情况下，燃烧器衬里的过热可能发生，这是由于提供的冷却空气的压力通常对于吹洗颈部孔来说是足够高，同时质量流可能不足够提供充分的结构冷却。

发明内容

因此，本发明的目标是提供一种有利的包括允许使用冷却气体吹洗谐振器的燃气轮机燃烧系统。本发明的进一步目标是提供一种有利的燃气轮机。

由此，本发明提供一种燃气轮机燃烧系统，其包括限定了用于热的和加压的燃烧气体的流动通道的燃烧系统壁以及至少一个具有由谐振器壁限定的谐振器容积的谐振器，其中一个谐振器壁位于燃烧系统壁附近或者由燃烧系统壁形成，所述谐振器包括通向流动通道的颈部开口和至少一个通向冷却流体源的冷却流体供给开口，其中，所述颈部开口以颈部槽的形式实现，其特征在于：单一的颈部槽是所述谐振器朝向所述流体通道的唯一开口。

优选地，所述至少一个冷却流体供给开口以供给槽的形式实现。

优选地，单一的供给槽作为所述谐振器朝向所述冷却流体供给的唯一开口。

优选地，所述至少一个冷却流体供给开口存在于谐振器壁中，所述谐振器壁与包括所述颈部槽的所述谐振器壁成相对关系定位。

优选地，所述至少一个冷却流体供给开口与所述颈部槽对齐。

优选地，所述至少一个冷却流体供给开口作为多个冷却流体供给孔得以实现，所述多个冷却流体供给孔位于与具有颈部槽的所述谐振器壁相对的谐振器壁中并且沿着与颈部槽对齐的线布置。

优选地，所述谐振器包括至少一个周边壁，且所述颈部槽靠近所述周边壁并且沿着周边壁延伸。

优选地，所述谐振器包括至少两个周边壁，所述颈部槽靠近第一周边壁并沿着该第一周边壁延伸，而所述至少一个冷却流体供给开口靠近第二周边壁并沿着该第二周边壁延伸。

优选地，所述第二周边壁与所述第一周边壁成相对关系定位。

优选地，所述燃烧系统壁包括高温侧，该高温侧指向流动通道并包括热障涂层。

本发明还提供一种包括前面所述的燃烧系统的燃气轮机。

本发明的燃气轮机燃烧系统包括限定了用于热和加压的燃烧气体的流动通道的燃烧系统壁以及至少一个具有由谐振器壁限定的谐振器容积的谐振器。其中一个谐振器壁位于燃烧系统的壁附近或者由燃烧系统的壁形成，此后称作燃烧系统壁。谐振器包括向流动通道开放的颈部开口和至少一个向冷却流体源开放的冷却流体供给开口。颈部开口以颈部槽(neck slot)的形式实现。

根据本发明，用在现有技术燃烧系统的谐振器颈部孔列由槽替换。颈部槽的有效面积取决于要衰减的频率、谐振器容积和谐振器颈部长度来选择，谐振器颈部长度由燃烧系统壁的厚度给定，包括加上与声学相关的热障涂层的厚度（如果采用的话），谐振器壁位于燃烧系统壁附近，并且声辐射作用在颈部的入口和出口。当涂覆燃烧系统壁的围绕表面时，与一列相对小的颈部孔相比，颈部槽可以轻易地被遮挡。因此，与现有技术中的相比，燃烧系统壁可以在设置谐振器的位置处更容易被热障涂层保护。由于遮挡不能被热障涂层覆盖的这种区域能够通过用于吹洗槽的冷却流体有效冷却，这是因为由于遮挡而不能被热障涂层覆盖的区域位于槽附近。

如果对于每个谐振器存在仅一个单一颈部槽，即，谐振器的颈部槽是相应的谐振器朝向热燃烧气体的流动通道的唯一开口，通过本发明可达到的优点最有效地实现。

除了颈部开口，至少一个冷却流体供给开口可以作为槽被实现，接下来也称作供给槽。类似于作为谐振器朝向流动通道的唯一开口的颈部槽，供给槽可以是谐振器朝向冷却流体供给的唯一通道。

与至少一个冷却流体供给开口的实现无关，至少一个开口有利地存在于与包括颈部槽的谐振器壁成相对关系定位的谐振器壁中。特别是，至少一个冷却流体供给开口可以对齐颈部槽，例如通过设置单一的供给槽作为与颈部槽对齐的冷却流体供给开口，或者通过设置多个冷却流体供给孔作为冷却流体供给开口，冷却流体供给开口沿着一条与颈部槽对齐的线布置。因此，根据本发明提到的改进，在现有技术中使用的冷却流体供给孔列由少量的孔或者单一的槽取代，有效地提供冲洗空气到颈部槽，这样避免了吸入热气体。

根据本发明燃气轮机燃烧系统的进一步的改进，谐振器包括至少一个周边壁，颈部槽靠近周边壁并且沿着周边壁延伸。对于供给槽或者一行供给孔来说也是同样的。注意到谐振器如果具有圆形几何形状包括一个周边壁，如果谐振器具有环形几何形状具有两个周边壁，如果谐振器具有多边形几何形状具有三个或者更多的周边壁。根据几何形状，槽或者行可以是直线槽、中断槽或者行，或者弧形槽或者行。

如果谐振器包括至少两个周边壁，例如四个周边壁以使得它具有四边形形状，颈部槽可以靠近第一个周边壁并沿着该第一个周边壁延伸，且至少一个冷却流体供给开口可以靠近第二个周边壁并沿着该第二个周边壁延伸。第二个周边壁尤其是与第一个周边壁成相对关系定位。在此构型中，冷却流体需要沿着位于谐振器的热气体通道侧的周边壁流动到颈部槽以使得这个壁在颈部槽被冲洗前由冷却流体冷却。

在本发明的燃烧系统中，燃烧系统壁尤其可以包括高温侧(hot side)，该高温侧指向流动通道并设置有热障涂层。通过设置热障涂层，可以避免燃烧系统壁过热，特别是，如果谐振器体积中的冷却空气在冲洗颈部槽之前沿着燃烧系统壁流动。

本发明的燃气轮机包括本发明的燃烧系统。在该燃气轮机中，可以抑制激励声振荡，而不用降低在谐振器存在的位置的燃烧系统壁的寿命。

附图说明

本发明的进一步的特征、特性和优势将从接下来结合附图的实施例的描述变得清楚。

图1示出了燃气轮机高度示意的截面图。

图2以透视图示意性示出了本发明第一实施例燃气轮机燃烧系统的一部分。

图3以剖视图示出了图1的实施例。

图4示出了第一实施例的改进。

图5以透视图示意性示出了本发明第二实施例燃气轮机燃烧系统的一部分。

图6以透视图示意性示出了第二实施例的改进的一部分。

图7以透视图示意性示出了本发明第三实施例燃气轮机燃烧系统的一部分。

具体实施形式

图1以高度示意的视图示出了一种燃气轮机1，该燃气轮机1包括压缩器段3，燃烧器段5和涡轮段7。转子9延伸穿过所有段并且在压缩器段3中承载压缩器叶片11的环以及，在涡轮段7中，支撑涡轮叶片13的环。在压缩器叶片11的相邻的环之间和涡轮叶片13的相邻的环之间，压缩器静叶片15和涡轮静叶片17的环分别从燃气轮机1的壳体19径向地向内朝向转子9延伸。

燃烧器段5设置在压缩器段3和涡轮段7之间。它包括具有至少一个燃烧室8的燃烧系统，一个或者多个燃烧器（burner）6连接到燃烧室8上。至少一个燃烧器6从燃料供给系统接收到气体或液体的燃料。此外，至少一个燃烧器6与压缩器段3流体连通以接收压缩空气。燃烧室8与涡轮段7流体连通，以将在燃烧室8中燃料空气混合物的燃烧产生的热的和加压的热燃烧气体传送到涡轮叶片13。

在燃气轮机1的工作中，空气通过压缩器段3的空气入口21吸入。空气被压缩并且同时通过转动压缩器叶片11引导朝向压缩器段5。在燃烧器段5中，空气与气体或液体燃料混合并且混合物在至少一个燃烧室8中燃烧。燃烧燃料-空气混合物产生的热的和加压的燃烧气体被供给涡轮段7。在它穿过涡轮段7的路线上，热的和加压的气体在膨胀和冷却的同时传输动量到涡轮叶片13，因此给予驱动压缩器和例如用于产生电力的发电机或者工业机器的消耗装置的转子9转动运动。涡轮静叶轮17的环作用为用于引导热的和加压的燃烧气体的喷嘴，以优化将动量传输到涡轮叶片13。最后，膨胀和冷却的燃烧气体穿过排气装置23离开涡轮段7。

根据本发明的燃气涡轮燃烧系统的第一实施例在图2和图3中描述。当图2示意性示出了装备有谐振器的燃烧器壁或衬里25的一部分的三维视图，图3示出了穿过谐振器27和燃烧壁或者衬里25的截面视图。注意到虽然它将从现在起贯穿实施例被称作“燃烧器壁”25，“燃烧器壁”也包括“燃烧器衬里”的意思。

在本实施例中，通过燃烧器壁25表示的燃烧系统壁限定了用于热的和加压的燃烧气体的流动通道。热的和加压的燃烧气体的流动由箭头29指示。谐振器27位于燃烧器壁25附近，以使得燃烧器壁25和相对的谐振器壁33，与在燃烧器壁25和相对的谐振器壁33之间延伸的周边谐振器壁35一起，封闭谐振器容积31。

槽37存在于连接燃烧器容积31到用于热的和加压的燃烧气体29的流动通道的燃烧器壁25中。位于谐振器27的周边壁35附近的槽37，类似于谐振器通向用于热的和加压的燃烧气体的流动通道的颈部开口。由槽37提供的谐振器颈部的颈部长度由燃烧壁25和应用到燃烧壁内侧，即面向热的和加压的燃烧气体的一侧的热障涂层39的厚度的和来限定。通过与谐振器容积的尺寸以及颈部槽的有效面积一起合适地选择谐振器颈部的长度，谐振器能够被调整到要衰减的特定的频率。

为了允许由压缩器提供的冷却空气通过谐振器容积31和颈部槽37进入热的和加压的燃烧气体27的流动通道，以用于冲洗颈部槽37，多个供给孔41存在于与燃烧器壁25成相对关系定位的谐振器壁33中。供给孔41沿着对齐颈部槽37的直线布置以使得穿过供给孔41进入谐振器容积31的冷却空气43能够无阻碍地穿过容积31以吹洗颈部槽37，如由箭头45指示的。通过允许冷却空气有效地吹洗颈部槽37，能有效避免热的和加压的燃烧气体吸入谐振器容积31。

作为一行供给孔41的替代形式，供给槽47能够被设置在谐振器壁33中，如图4所示，图4以截面图描述了图2和图3中示出的实施例的改进。除了由供给槽47作为冷却流体供给开口替代供给孔41所给出的改进之外，谐振器27还包括布置在谐振器壁25附近并因此与包含供给槽47的谐振器壁33成相对关系的另一谐振器壁49。因此，颈部槽37不仅穿过燃烧壁25和热障涂层39延伸，而且穿过所述另一谐振器壁49，谐振器壁49增加了由颈部槽37提供的颈部长度。

本发明燃气轮机燃烧系统的第二实施例以透视图在图5中示意性示出。那些与第一实施例相同的第二实施例的特征与第一实施例使用同一附图标记并且不再解释。

第二实施例与第一实施例的不同在于颈部槽137和所述一行供给孔141的方向相对于热的和加压的燃烧气体29的流动方向定向。而第一实施例的颈部槽37和一行供给孔41以平行于热的和加压的燃烧气体的流动方向被定向，在本实施例中颈部槽137的定向和一行供给孔141的定向垂直于热的和加压的燃烧气体29的流动方向。与第一实施例类似，颈部槽137和供给孔141彼此对齐并且位于周边的谐振器壁35附近。

第二实施例的改进示出在图6中。该改进在于一行供给开口141由与颈部槽137对齐的供给槽147取代。

本发明燃气轮机燃烧系统的第三实施例示出在图7中，图7示意性示出了燃烧器壁25和谐振器27的一部分上的透视图。与第一和第二实施例相同的第三实施例的特征与第一和第二实施例使用同一附图标记并且不再解释。

第三实施例不同于图6中示出的第二实施例的改进在于存在供给槽247，虽然供给槽247与颈部槽137共享同一定向，但是不与颈部槽137对齐。相反，供给槽247位于第二周边壁35附近，该第二周边壁与在颈部槽137附近的周边壁35成相对关系。这意味着穿过供给槽147进入谐振器容积31的冷却气体43沿着燃烧器壁25流过谐振器容积到颈部槽137。在沿着燃烧器壁25的流动的同时，冷却空气可以聚集热因此在冲洗颈部槽137之前冷却燃烧器壁25。

注意，在所有实施例中分别与包含供给开口或供给槽的谐振器壁33的相对定位的谐振器壁可以由燃烧器壁25形成，如图3所示，或者由谐振器的内在壁49形成，如图4所示。

如关于实施例描述的，本发明改进了包括谐振器的燃气轮机燃烧系统在于与一列小的颈部孔相比，颈部槽能够在涂覆之前更容易被遮挡。因此，涂层可以容易地保护在安装谐振器的区域中的衬里材料或者壁材料免于过热。冷却气体可以被指向颈部槽，使得槽用空气充分的冲洗以及由于遮挡不能涂层覆盖的剩余的衬里材料或者壁材料充分的冷却。

Claims (11)

1.一种燃气轮机燃烧系统，包括限定了用于热的和加压的燃烧气体（29）的流动通道的燃烧系统壁（25）以及至少一个具有由谐振器壁（25、33、35、49）限定的谐振器容积（31）的谐振器（27），其中一个谐振器壁（25、49）位于燃烧系统壁（25）附近或者由燃烧系统壁（25）形成，所述谐振器（27）包括通向流动通道的颈部开口（37，137）和至少一个通向冷却流体源的冷却流体供给开口（41、47、141、147、247），其中，所述颈部开口以颈部槽（37、137）的形式实现，其特征在于：单一的颈部槽（37、137）是所述谐振器（27）朝向所述流体通道的唯一开口。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧系统，其特征在于：所述至少一个冷却流体供给开口以供给槽（47、147、247）的形式实现。

3.根据权利要求2所述的燃气轮机燃烧系统，其特征在于：具有单一的供给槽（47、147、247）作为所述谐振器朝向所述冷却流体供给的唯一开口。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃气轮机燃烧系统，其特征在于：所述至少一个冷却流体供给开口（41、47、141、147、247）存在于谐振器壁（33）中，所述谐振器壁（33）与包括所述颈部槽（37、137）的所述谐振器壁（25、49）成相对关系定位。

5.根据权利要求4所述的燃气轮机燃烧系统，其特征在于：所述至少一个冷却流体供给开口（41、47、141、147）与所述颈部槽（37、137）对齐。

6.根据权利要求4所述的燃气轮机燃烧系统，其特征在于：所述至少一个冷却流体供给开口（41、141）作为多个冷却流体供给孔（41、141）得以实现，所述多个冷却流体供给孔（41、141）位于与具有颈部槽（37、137）的所述谐振器壁相对的谐振器壁（33）中并且沿着与颈部槽（37、137）对齐的线布置。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的燃气轮机燃烧系统，其特征在于：所述谐振器（27）包括至少一个周边壁（35），且所述颈部槽（37、137）靠近所述周边壁（35）并且沿着周边壁（35）延伸。

8.根据权利要求7所述的燃气轮机燃烧系统，其特征在于：所述谐振器（27）包括至少两个周边壁（35），所述颈部槽（37、137）靠近第一周边壁并沿着该第一周边壁延伸，而所述至少一个冷却流体供给开口（41、47、141、147、247）靠近第二周边壁（35'）并沿着该第二周边壁（35'）延伸。

9.根据权利要求8所述的燃气轮机燃烧系统，其特征在于：所述第二周边壁（35'）与所述第一周边壁（35）成相对关系定位。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的燃气轮机燃烧系统，其特征在于：所述燃烧系统壁（25）包括高温侧，该高温侧指向流动通道并包括热障涂层（39）。

11.一种包括权利要求1至10中任一项所述的燃烧系统的燃气轮机。

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