CN103765107A - 用于燃气轮机设备的燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃气轮机设备的燃烧室(1)，其具有燃烧室壁(10)，燃烧气体(G)朝向后接的燃气轮机流过所述燃烧室壁(10)，其中，燃烧室壁(10)具有用于减弱由燃烧气体(G)引起的热声振动的减振设备(20)，并且其中，减振设备(20)具有至少一个亥姆霍兹共振器，其这样设计，使得其共振器空间(21)处于燃烧室壁(10)的背离燃烧室内壁的侧面上，并且具有至少一个与共振器空间(21)配合作用的共振器管(22,22’,22’’)，所述共振器管以其与共振器空间(21)对置的处于燃烧室内壁中的共振器管开口(M)连通至燃烧室(1)内，并且其中设置有至少一个输入开口(23)，用于阻隔共振器管开口(M)的阻隔空气(S)借助该输入开口从可连接在之前的压缩机的环绕燃烧室的压缩机通风腔室(2)经由共振器空间(21)和所述至少一个共振器管(22,22’,22’’)进入燃烧室(1)内。在此，所述至少一个共振器管(22’,22’’)的共振器管轴线(A)这样设置在燃烧室壁(10)内，使得在共振器管开口(M)的位置上，共振器管轴线(A)位于燃烧室壁(10)的表面法线(N)的外部。

Description

用于燃气轮机设备的燃烧室

本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分所述的用于燃气轮机设备的燃烧室，以及一种按照权利要求6所述的相应构造的燃气轮机设备。

燃气轮机设备主要由压缩机、具有燃烧器的燃烧室和扩张式燃气轮机构成。吸入的空气在压缩机中被压缩，此后在连接在之后并且设置在压缩机通风腔室中的燃烧器中在燃烧室中与燃料混合并且该混合物燃烧。连接在燃烧室之后的扩张式燃气轮机从在燃烧室中形成的燃烧废气中抽出热能并且将其转化为机械能。能与扩张式燃气轮机耦连的发电机可以将该机械能转化成电能以产生电流。

当前，燃气轮机设备以及其它发电设备在所有负载范围内必须在最大效率时具有尽可能小的有害物质排放量。在此，主要影响参数是：在燃烧器的燃烧室中调节形成的燃料质量流、被压缩的空气的质量流以及输入的用于冷却燃烧构件的冷却空气的质量流。但是对有害物质排放量、尤其是NOx和未燃烧的燃料(大多以CO形式)的限制在此可能导致内燃室中的冷却空气量或泄漏空气量减至最小，并且进而导致起到消音作用的杂散流动。此外，在限制排放的边界条件下，通常随着效率的升高也会使得燃烧室中体积热释放密度升高。两者一起、也就是在燃烧室内的消音作用的降低和热释放密度的升高导致出现热声感应的振动的风险增大。然而，这种在燃烧室内的热声振动显现了在设计和尤其在运行燃气轮机设备时的问题。

为了降低这种热声的振动，当前使用亥姆霍兹共振器来减振，其由至少一个共振器管和共振器空间构成。这种亥姆霍兹共振器根据共振器管的横截面积和长度和共振器体积在确定的频率范围内减弱具有亥姆霍兹频率的振动的振幅。亥姆霍兹共振器作为减振设备用于限制燃烧室内的热声振动例如由专利文献EP1605209A1或US2007/0125089A1已知。

图1例如示出由US2007/0125089A1已知的亥姆霍兹共振器20在燃烧室壁10的环上横向于流动方向的布置。燃烧室壁10在此设计为管状并且将燃烧室1与环绕的压缩机通风腔室2隔开。燃烧室壁10内的处于共振器空间21和燃烧室1之间的穿孔22构成亥姆霍兹共振器的共振器管。每个亥姆霍兹共振器在此可如图1所示具有多个共振器管或仅有唯一的共振器管。为了不让热的燃烧气体从燃烧室1进入亥姆霍兹共振器20，设置有用于输入阻隔空气的附加开口。在图1所示的实施例中，引入开口23设置在共振器空间21的与共振器管22相对置的壁上。这些开口23使得压缩空气S从环绕燃烧室的压缩机通风腔室2进入共振器空间21并且在那通过共振器管22流入燃烧室1并且由此阻隔热的燃烧气体使其不能进入共振器管22。

但是，通过空间体进行阻隔空气输入的亥姆霍兹共振器的缺点在于，阻隔空气通过共振器管流入燃烧室并且进而影响该处的空气-燃料混合气。正是在已知的结构设计中(其中共振器管这样布置在燃烧室壁内，使得在共振器管通入燃烧室的位置上，共振器管轴线位于燃烧室内壁的表面法线上)，阻隔空气以最大的进入深度进入燃烧室的燃烧空间中。然而，这种相对燃烧室内部流动的最大交叉流可能恰恰在燃气轮机设备的低负载范围内导致燃烧的部分熄灭，进而增大CO-有害物质的排放。

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种克服前述缺点的燃烧室。

所述技术问题通过具有按照权利要求1所述特征的燃烧室解决。

由于按照权利要求1前序部分设计的、包含至少一个亥姆霍兹共振器的燃烧室具有至少一个共振器管，所述共振器管这样设置，使得在共振器管通入燃烧室的位置处，共振器管的共振器管轴线位于燃烧室内壁的表面法线之外，所以阻隔空气进入燃烧室的燃烧空间的最大进入深度减小，并且共振器管轴线相对表面法线倾斜越大，进入深度减小得越多。由此燃烧室内的燃烧不会受到剧烈影响，从而能够在燃气轮机设备部分负载时很大程度地避免有害气体排放的增多，尤其是CO排放的增多。

随着被喷入的阻隔空气在燃烧室内壁上的倾斜角的增大的同时，越来越多地形成具有膜冷却的区域。因为从压缩机通风腔室经由亥姆霍兹共振器流入的空气比燃烧室内的燃烧气体更冷，因此可以实现改善的燃烧室壁冷却功率。当在燃烧室壁内侧的表面法线和朝向下游的共振器管轴线之间倾斜角更大，尤其当倾斜角约为45°或更大时，在阻隔气体越来越多地与燃烧气体混合并且进而达到与燃烧气体相同的温度之前，通过共振器管流入的阻隔空气的很大一部分被燃烧室内部的流体带动并且流向下游更大的区域并且沿着燃烧室内壁在壁附近冷却地流动。随着倾斜角的增大，共振器管还会不断增长，由此实现越来越好的燃烧室壁对流冷却。

其它优选的实施例由从属权利要求得出。基本上在所有的燃烧室实施例中，在燃烧室内这样设计冷却的阻隔空气与热的质量流的混合区域，使得尤其在较低负载范围内抑制由于更冷的阻隔气体造成的燃烧部分熄灭，而不会影响亥姆霍兹共振器的减振属性。因此，配备这种燃烧室的燃气轮机设备能够在所有负载范围内在最大效率时尽可能少地排放有害物质。

在此本发明并不局限于共振器管仅朝燃烧废气的流动方向倾斜。而是也可以在不对本发明有其它限制的情况下考虑这样的实施例，其中共振器管相对燃烧室内壁的表面法线具有一定斜度，该斜度由沿流动方向的倾斜分量以及横向于其的倾斜分量组合而成。因此共振器管能够最佳地与燃烧室内部流动的局部情况相适配。

以下结合附图示范性地阐述本发明。在附图中：

图1示意示出由现有技术已知的减振设备，

图2示意示出减振设备的按照本发明的第一实施例，

图3示意示出减振设备的按照本发明的第二实施例。

以下示范性地参照基于管式燃烧室的燃烧器描述按照本发明的用于将阻隔空气S喷入燃气轮机设备的燃烧室1的燃烧空间中的设计方案，其中减振设备20基本安置在燃烧室壁10的外侧上。但是本发明也适用于使用在燃烧器内，其中减振设备20完全集成在燃烧室壁10内，或者也可以在各个其它实施例中通过减振设备20输入阻隔空气S。

在图2中示出燃烧室1沿燃烧气体G的流动方向的局部剖视图，其具有阻隔空气引导结构，其中与现有技术相对，阻隔空气S以相对于燃烧室10的燃烧室内壁的表面法线N的大于零的角度α(在此是45°)引入燃烧空间1中。由此阻隔空气S在燃烧室1中的进入深度明显降低，而且阻隔空气S与燃烧气体G的混合区域沿轴向被矫正。由此与更冷的阻隔空气贯穿混合的燃烧室内部流体的区域减小，这整体上使得有害物质的排放明显降低。同时通过在燃烧室内壁上的表面附近的流体引导形成区域B(其中在更冷的阻隔空气S和燃烧气体G之间尚未发生明显混合)，因此被喷入的阻隔空气S的膜冷却属性可以被改善，由此能够降低燃烧室壁的热负载。

因为亥姆霍兹共振器的减振属性通过共振器管的倾斜布置(除此之外在共振器体积相同和共振器管数量保持恒定的情况下)可能与在现有技术中已知的具有垂直喷射结构的亥姆霍兹共振器的减振属性不同，所以任何情况下都需要使减振属性与共振器参数适配。这例如可通过改变共振器管22’和/或输入开口23的数量和/或其直径和/或通过改变共振器体积21实现。

对于将多个由具有不同亥姆霍兹频率和进而不同的减振属性的共振器组成的亥姆霍兹共振器组合使用的情况，则推荐其部分由不同类型的亥姆霍兹共振器构成。在图3中示出这种情况，即在燃烧室的不同轴向位置上设置不同类型的亥姆霍兹共振器。在此所示的变型方案的目的在于，将一部分阻隔空气S尽可能朝上游、也就是朝向热释放的区域喷射(共振器类型1)，并且将一部分阻隔空气S尽可能地朝下游喷射(共振器类型2)。为此在第一环上围绕管状燃烧室设置的类型1的亥姆霍兹共振器具有共振器管22’’，其轴线A朝向上游相对燃烧室内壁的表面法线N倾斜角度α，并且设置在第二环内的类型2的亥姆霍兹共振器具有共振器管22’，其轴线A朝向下游相对表面法线N倾斜角度α。由此可以一方面通过具有类型2的共振器的环实现尽可能靠近壁地流动，以增强气膜冷却B，并且同时借助具有类型1的共振器的环实现另一叠加的气膜冷却B’，这整体上可使得阻隔空气减少。但是本发明在此不仅仅局限于图2所示的实施形式。而是还应该包括例如仅由类型1或类型2的共振器、或者由具有不同倾角α的共振器类型构成的实施形式。更确切地说可以考虑，环在燃烧室壁的周向上具有不同的共振器类型，以便与燃烧室内部流体的局部实际情况最佳地适配。

Claims (6)

1.一种用于燃气轮机设备的燃烧室(1)，其具有燃烧室壁(10)，燃烧气体(G)朝向连接在之后的燃气轮机流过所述燃烧室(1)，其中，燃烧室壁(10)具有用于减弱由燃烧气体(G)引起的热声振动的减振设备(20)，并且其中，减振设备(20)具有至少一个亥姆霍兹共振器，其这样设计，使得其共振器空间(21)处于燃烧室壁(10)的背离燃烧室内壁的侧面上，所述减振设备(20)还具有至少一个与共振器空间(21)配合作用的共振器管(22,22’,22’’)，所述共振器管以其与共振器空间(21)对置的处于燃烧室内壁中的共振器管开口(M)连通至燃烧室(1)内，并且其中设置有至少一个输入开口(23)，用于阻隔共振器管开口(M)的阻隔空气(S)借助该输入开口从能够连接在之前的压缩机的环绕燃烧室的压缩机通风腔室(2)经由共振器空间(21)和所述至少一个共振器管(22,22’,22’’)进入燃烧室(1)内，其特征在于，所述至少一个共振器管(22’,22’’)的共振器管轴线(A)这样设置在燃烧室壁(10)内，使得在共振器管开口(M)的位置上，共振器管轴线(A)位于燃烧室内壁的表面法线(N)之外。

2.按照权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述共振器管(22)的共振器管轴线(A)远离所述表面法线(N)地朝向流过燃烧室(1)的燃烧气体的上游或下游倾斜。

3.按照权利要求2所述的燃烧室，其特征在于，所述亥姆霍兹共振器的位于上游的共振器管的共振器管轴线朝向上游倾斜，并且该亥姆霍兹共振器的位于下游的共振器管的共振器管轴线朝向下游倾斜。

4.按照权利要求1至3之一所述的燃烧室，其特征在于，所述减振设备包含多个亥姆霍兹共振器(20)，它们沿燃烧室壁(10)的圆周分散排列呈至少一个横向于流通的燃烧气体(G)的环地设置。

5.按照权利要求4所述的燃烧室，其特征在于，向上游倾斜的共振器管配属于第一环的亥姆霍兹共振器，并且向下游倾斜的共振器管配属于位于下游的第二环的亥姆霍兹共振器。

6.一种燃气轮机设备，具有用于压缩吸入空气的压缩机、连接在压缩机之后的具有用于混合燃料和用于燃烧燃料-空气混合物的燃烧器的燃烧室以及连接在燃烧器之后的扩张式燃气轮机，所述扩张式燃气轮机将燃烧过的燃料-空气混合物的燃烧废气转化为机械能，其中为了避免热声振动，燃烧器按照权利要求1至5之一进行设计。

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