CN103776061B - 用于减少燃烧室脉动的消声器组件 - Google Patents

用于减少燃烧室脉动的消声器组件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于减少燃烧室脉动的消声器组件。本发明涉及用于减少出现在燃气涡轮内部的燃烧室脉动的消声器组件，其中，燃气涡轮基本上包括至少一个压缩机和连接在压缩机下游的一级燃烧器，并且一级燃烧器的热气至少被允许进入中间涡轮或者直接或间接进入二级燃烧器。二级燃烧器的热气被允许进入另一个涡轮或者直接或间接进入能量回收装置，其中，至少一个燃烧器布置成筒结构。至少一个燃烧器衬套包括空气通道，其中，至少一个空气通道形成为消声器颈。消声器颈主动地连接到消声器容积上，并且消声器容积为在压缩机空气稳压室和燃烧器之间延伸的连接管道的一部分。

Description

用于减少燃烧室脉动的消声器组件
技术领域
本发明涉及用于在将稀释空气喷射到燃烧室中的情况下运行燃气涡轮的方法。本发明另外涉及燃气涡轮，其用于执行在将稀释物喷射到燃烧室中的情况下运行燃气涡轮的方法。
背景技术
将稀释空气喷射到燃气涡轮的燃烧室中优选在喷燃器下游进行。
为了保护环境，燃气涡轮发动机的CO排放需要减少。已知这样的排放出现在燃烧室中没有足够的时间确保CO氧化成CO2时和/或这个氧化由于与燃烧器中的冷区域接触而在局部骤冷时。因为燃烧温度在部分负载状况下较低，并且CO氧化成CO2的过程变慢，因而CO排放通常往往在这些状况下增加。
除了低排放，还需要确保稳定的燃烧过程。这样的燃气涡轮中的燃烧过程可导致动态耦合。燃气涡轮筒(can)燃烧器或环形燃烧器的这种动态或热声耦合可导致强烈的脉动，具体而言导致强烈的低频脉动，这不利地影响燃烧器的稳定性和寿命。这可导致寿命减小或在极端情况下导致燃气涡轮的机械故障。为了减少热声脉动，通常将消声器(damper)或共振器安装在燃烧室中，以及/或者进行燃料供应的分段运输，如例如在US2010/0313568中描述的那样。因为低频消声器需要大容积，所以这个解决方案不受欢迎。燃料分段运输对排放性能具有有害的影响，因为会产生局部热点(导致NOx排放)和局部冷点(导致额外的CO排放)。
在燃气涡轮的停车(parking)点降低燃气涡轮负载时，可能又要投资来减少CO排放。在发动机停车期间，由于减少了CO2排放，这会减少环境影响，并且由于燃料消耗更少，这会减少总的发电成本。
发明内容
本发明所基于的目的是提出一种用于运行燃气涡轮的方法，燃气涡轮包括围绕转子而设置的环形燃烧室和/或多个筒，各个筒具有单个燃烧区域或顺序燃烧，这使得能够在增加功率和减少CO排放的情况下运行。其中，压缩机后面是燃烧器区段，其由环形燃烧室或多个筒构成。在这些筒内，一级燃烧器后面是二级燃烧器。在这两个燃烧器之间，可喷射稀释空气，以控制二级燃烧器的入口温度，并且因此控制喷射在其中的燃料的自燃时间。最终将热的燃烧气体馈送到涡轮中。
作为顺序燃烧方法的一部分，这种燃烧室的关键特性是将冷空气喷射到一级燃烧器的热燃烧产物中。混合品质是重要的，因为二级燃烧器的燃烧操作需要均匀的入口流。提到的空气的至少一部分可喷射自压缩机出口稳压室。
这意味着在大压缩机稳压室和燃烧室之间存在至少一个连接管道(并且不馈送通过一级燃烧器)。根据本发明，这种喷射空气得到一种不易得到的认识：依赖于压缩机稳压室的容积，连接管道可设计成使得该系统用作消声器。
喷射管道实现消声器颈的功能，而压缩机稳压室或压缩机稳压室的区段用作消声器容积。得到的消声效率较高，并且能处理非常大的低频。
本发明的目的是另外提供一种消声器组件，用于减少出现在燃气涡轮内部的燃烧室脉动，使得能够通过消声器组件实现改进的消声特性，消声器组件容易提供且易于操作。另外，应当能够使用较大的消声器容积，而不显著干涉燃烧室的已知几何结构，这些较大的消声器容积具有至今无法获得的消声特性。
冲击在消声器上的声能导致消声器颈内部的流振荡。这导致离开稀释空气孔的射流放大，从而在空气在热或冷的情况下输送时增强空气的混合。
多个空气孔或通道可设置在内部衬套上的一个或多个沿周向设置的区段中。空气孔可呈延伸通过内部衬套的厚度的孔口的形式。空气孔可具有任何适当的横截面尺寸或形状。例如，空气孔可为圆形、椭圆形、槽形、长方形、三角形或多边形。同样的设计还可适用于消声器颈的流动横截面。
各个空气孔可沿着燃烧器衬套的周向区段具有基本恒定的横截面积，或者至少一个空气孔的横截面积可改变其周向区段的至少一部分。
在一个或多个方面(包括在上面描述的那些中的任一个)，空气孔可基本彼此相同，或者至少一个空气孔彼此相同。
各个空气孔可直接和/或间接与沿周向或准周向或以环形设置在燃烧器衬套的外部的消声器容积中的相应的至少一个处于流体连通。
桥接从外部消声器容积到空气孔的间隙的工作可由消声器颈、导管或毛细管承担。提到的消声器元件(即消声器颈)设置成与内部衬套齐平，或者它们可穿过燃烧器的内部衬套。在后一种情况下，空气直接从相应的消声器容积流出和/或经由至少一个侧向开口沿着导管形消声器颈流到燃烧室。
如上面提到的，消声器颈可以任何适当的方式布置。在一些情况下，消声器颈可在燃烧器衬套的表面上布置成多个间隔开的排。
例如与第一排消声器颈相关联的多个冷却通道可布置成使得它们的入口作为冷却通道位于消声器颈上游，并且例如与第二排消声器颈相关联的冷却通道可布置在消声器颈下游。关于燃烧室内的流体流方向来使用用语“上游”和“下游”。
符合消声器功能的导管可设置为成角度的喷射器，其布置成将空气流体引入到燃烧室中，并且可以任何适当的方式定向。在一个实施例中，喷射器可沿燃烧室的水平方向定向。在其它实施例中，一个或多个喷射器可与一个或多个其它喷射器沿不同的方向定向。
本发明绝不限于在相邻消声器容积的基础上使用。在给定适当的设计的消声器容积的情况下，这些容积可同样在形成于内部衬套和其它壳体稳压室之间的空间中实现。
用语一级燃烧器和二级燃烧器指的是布置在流径中的燃烧器的顺序，即二级燃烧器布置在一级燃烧器下游。二级燃烧器中的热释放量或在二级燃烧器中的燃烧的燃料量可大于、等于或小于一级燃烧器中的热释放量或在一级燃烧器中的燃烧的燃料量。
附图说明
在图1至5中基于示例性实施例来示意性地显示本发明。
示意性地，在图中：
图1a显示在筒结构下使用顺序燃烧的一般燃气涡轮；
图1b显示呈筒结构的简单消声器组件；
图2a显示在环形结构下使用顺序燃烧的一般燃气涡轮；
图2b显示呈环形结构的简单消声器组件；
图3a显示在筒结构下使用顺序燃烧的另一个一般燃气涡轮；
图3b显示在环形结构下使用顺序燃烧的另一个一般燃气涡轮；
图4a显示呈筒结构的双消声器组件；
图4b显示呈环形结构的双消声器组件；
图5a-5d显示多种消声器元件。
部件列表：
100燃气涡轮
101一级燃烧器
102二级燃烧器
103压缩机
104喷燃器
105涡轮
106轴
107排气
108压缩空气
109燃烧产物
110冷空气
111连接管道
112第一消声器容积
112a第一消声器容积
113消声器颈
114稀释空气孔
115消声器颈区段
116内部衬套
117第二消声器容积
118第一消声器颈
119第二消声器颈
120消声器颈
121消声器颈
122作为消声器颈的喷射器
123第一燃料喷射器
124第二燃料喷射器。
具体实施方式
在例如图1a中显示这种燃气涡轮的一般概图。其中压缩机后面是燃烧器区段，其由多个燃烧器筒构成。筒结构包括多个燃烧器筒，燃烧器筒围绕涡轮轴的周边布置成环形阵列。单个燃烧器筒使得各个筒能够进行单独的燃烧操作，并且在燃烧过程期间在单独的筒之间将没有有害的相互作用。
图1a显示燃气涡轮100包括多个燃烧器筒。燃烧器筒包括顺序燃烧区域或燃烧器101、102，以执行根据本发明的方法。此外，燃气涡轮基本包括压缩机103，至少一个喷燃器104和至少一个涡轮105。能够沿着燃烧器筒设置中间涡轮(未显示)，并且另外，在这个涡轮下游设置第二喷燃器系统(未显示)。
典型地，燃气涡轮系统包括发电机(未显示)，其在燃气涡轮的冷端处(也就是说在压缩机103处)联接到燃气涡轮100的轴106上。一级燃烧器101和二级燃烧器102在燃烧器筒结构下运行，而提到的中间涡轮是可选的。
燃料通过第一燃料喷射器123喷射到一级燃烧器101中，而通过第二燃料喷射器124喷射到二级燃烧器102中。
在这些燃烧器筒内，一级燃烧器后面是二级燃烧器。在这两个燃烧器之间，可喷射稀释空气，以控制二级燃烧器的入口温度，并且因此控制第二燃料喷射器喷射到其中的燃料的自燃时间。最终热燃烧气体直接馈送到涡轮105中或馈送到中间或第一涡轮中。
一旦二级燃烧器102运行，就将额外的燃料(未显示)添加到一级燃烧器101的热气中。热气在后续的涡轮105中膨胀做功。排气107可有益地馈送到联合循环功率装置的废热锅炉或另一个废热应用。
一个或多个燃烧器筒构造成例如具有多个单独的喷燃器104的环形燃烧器。通过燃料分配系统和燃料馈送来对这些喷燃器104中的各个供应燃料。
基于这些发现，该概念可预期用于以筒结构在顺序燃烧(具有或不具有高压涡轮)下运行的发动机，但不限于此。
对于顺序燃烧，燃烧器的组合可设置成如下：
至少一个燃烧器构造成筒结构，有至少一个运行的涡轮。
一级和二级燃烧器两者构造成顺序筒-筒结构，有至少一个运行的涡轮。
一级燃烧器构造成环形燃烧室，而二级燃烧器构造成筒构造，有至少一个运行的涡轮。
一级燃烧器构造成筒结构，而二级燃烧器构造成环形燃烧室，有至少一个运行的涡轮。
一级和二级燃烧器两者构造成环形燃烧室，有至少一个运行的涡轮。
一级和二级燃烧器两者构造成环形燃烧室，有中间运行涡轮。
因此，关于筒结构的CO排放，单独的筒之间的相互作用最小或不存在。基于此，在分离平面处的泄漏(对于环形概念，已知它会影响CO)将不会影响筒式发动机的CO，因为对于这个结构，进入燃烧器中的分离线泄漏仅存在于过渡件的最后一端处。因此与环形发动机结构相比，对于筒变型，描述的概念将甚至更有效。
符合上面提到的概念的、用于执行消声器方法的燃气涡轮是本发明的目的。
如果提供用于燃烧筒或环形燃烧室的预混合喷燃器(参见EP 0 620 362 A1)，这些应当优选由根据文献EP 0 321 809 A1和/或EP 0 704 657 A1的燃烧过程和对象形成，其中这些文献形成本描述的组成部分。具体而言，所述预混合喷燃器可靠各种液态和/或气态燃料运行。因而，能够容易在单独的筒内提供不同的燃料。这也意味着预混合喷燃器还可同时用不同的燃料运行。
第二或后续燃烧器优选由EP 0 620 362 A1或DE 103 12 971 A1执行，其中这些文献形成本描述的组成部分。
另外，下面提到的文献也形成本描述的组成部分：
EP 0 321 809 A和B涉及一种喷燃器，喷燃器由构成整个本体的空心的部分锥形本体组成，整个本体具有用于气态和液态燃料的切向空气入口槽口和进料通道，其中，空心的部分锥形本体的中心轴线具有沿着流向增大的锥角，并且沿纵向方向以相互偏移的方式延伸。燃料喷嘴(其中，燃料喷射器位于部分锥形本体的相互偏移的中心轴线的连接线的中间)置于由部分锥形本体形成的锥形内部中的喷燃器头处。
EP 0 704 657 A和B涉及一种用于基本由用于燃烧空气流的旋涡发生器(基本符合EP 0 321 809 A和B)构成的热发生器的喷燃器组件，以及用于喷射燃料的器件，以及设置在所述旋涡发生器的下游的混合路径，其中，所述混合路径包括过渡管道，过渡管道在路径的第一部分内沿流向延伸，以将形成于所述旋涡发生器中的流传递到连结在所述过渡管道的下游的所述混合路径的流动横截面中。
此外，提出用于燃气涡轮再热燃烧器内的燃料喷射器利用燃料的自燃，以便针对给定的驻留时间改进燃料空气混合。显示的第二燃料喷射器可为例如燃料喷枪。但是，另外可使用已知用于二级燃烧器的任何类型燃料喷射器，诸如例如凹槽，或具有涡旋发生器(诸如凸角)的流线型本体。设想到具有振荡的气态燃料喷射器的这个喷射器的以下具体实施例：
在交叉流构造方面，垂直于氧化剂流而喷射振荡的气态燃料。
在顺列构造方面，平行于氧化剂流而喷射振荡的气态燃料。
相对于氧化剂流，以介于0°和90°之间的倾斜角喷射振荡的气态燃料。
EP 0 646 705 A1涉及在具有顺序燃料的燃气涡轮组中建立部分负载运行的方法，EP 0 646 704 A1涉及用于控制配备有两个燃烧室的燃气涡轮装置的方法，以及
EP 0 718 470 A1涉及在提供部分负载运行时运行配备有两个燃烧室的燃气涡轮的方法，其也形成本描述的组成部分。
一些压缩空气108作为高压冷却空气被分接出，作为冷却空气馈送到第一和/或二级燃烧器或被高压冷却空气冷却器(未显示)重新冷却且作为冷却空气馈送到第一和/或二级燃烧器，并且在必要时馈送到第一和/或第二涡轮。
根据图1b，本发明的特征在于将冷空气110喷射到一级燃烧器101的热燃烧产物109中。这个操作的混合品质是重要的，因为二级燃烧器102的喷燃器系统需要均匀入口流。
这个冷空气的至少一部分直接从压缩机出口稳压室喷出或后续从空气冷却器(未显示)喷出。对于这种实现，在较大的压缩机稳压室和一级和/或二级燃烧器101、102之间存在连接管道111。依赖于压缩机稳压室的容积，连接管道111应当有利地设计成使得该系统关于其容量用作第一消声器112，而连接管道111的一部分可承担第一消声器容积112的功能的一部分。
依赖于大容积，得到的效率是高的，并且可处理低频率。撞击在消声器上的声能导致消声器颈113内部的流震荡。稀释空气孔114排出的射流的这个放大增强了热空气和冷空气的混合。
多个空气孔114可设置在燃烧器衬套(相应地，内部衬套116)上的一个或多个沿周向设置的消声器颈区段115中。空气孔114可呈延伸通过内部衬套116的厚度的孔口的形式。空气孔114可具有任何适当的横截面尺寸或形状。例如，空气孔可为圆形、椭圆形、槽形、长方形、三角形或多边形。
各个空气孔114可沿着其周向区段115具有基本恒定的横截面积，或者至少一个空气孔的横截面积可至少针对其周向区段的一部分而改变。空气孔114可具有与消声器颈113相同的横截面，从而有效地具有相同功能。它们还可具有不同的横截面，以便提供穿透到燃烧产物109中的空气射流(这不同于消声器颈114提供的空气射流)，以更好地混合冷空气110与燃烧产物109。
在一个或多个方面(包括上面描述的那些中的任一项)，空气孔可基本彼此相同，或者至少一个空气孔彼此相同。
可关于消声器共振频率以数学的方式将上面提到的依赖性表达如下：
关于第一消声器容积112(图1b，2b)的公式：
其有如下规定：
c=声音的速度
A=颈面积
L=颈长度
V=消声器容积。
关于图3a，显示了与图1a中相同的构造。为了避免不必要的重复，对图1a进行了参照。
图4a显示关于图1b的扩展版本。除了对应于图1b的第一消声器容积112的第一消声器容积112a之外，提供了第二消声器容积117，其可以同心或准同心方式应用在外部。消声器容积112a、117两者单独地连接到多个消声器颈区段上，即内部的第一消声器容积112a以流体连通的方式连接到第一区段115a的第一消声器颈118，而外部的第二消声器容积117以流体连通的方式连接到第二区段115b的第二消声器颈119。
桥接从外部第二消声器容积117到进入燃烧室101(相应地，102)(见图1a)中的空气的间隙的工作可由消声器颈、导管或毛细管承担。提到的元件设置成与内部衬套116齐平，或它们可以不同的深度穿透内部衬套。在后一种情况下，来自相应的消声器容积112、112a、117的指定空气流直接通过消声器颈118、119进入燃烧室中。
在图2a中，显示了如图1a中的构造，但是是针对环形结构。为了避免不必要的重复，参照了图1a，其中显示了对应的元件。
图2b显示对应于图1b的消声器组件的简单消声器组件，其适于环形结构。因为图2b显示了通过环形燃烧器的切口，所以消声器颈113和稀释空气孔114布置在外部衬套和内部衬套上。
参照图3b，显示了与图2a中相同的构造。为了避免不必要的重复，参照了图2a。
在图4b中，显示了如图4a中的构造，但是是针对环形结构。为了避免不必要的重复，参照了图4a，其中显示了对应的元件。因为图4b显示通过环形燃烧器的切口，所以第一消声器颈118和第二消声器颈119布置在外部衬套和内部衬套上。
当然，用具有若干单独的消声器容积的消声器组件进行工作是可行的。
可关于消声器共振频率以数学的方式将上面提到的依赖性表达如下：
关于第一消声器容积112a(图4a，4b)的公式
以及
关于第二消声器容积117(图4a，4b)的公式
其具有以下规定：
c=声音的速度
A1、A2=颈面积
L1，L2=颈长度
V1，V2=消声器容积。
图5a-5d显示消声器颈的多种布置，而在上面已经对它们进行论述：
在图5a中，第一消声器颈118和第二消声器颈119组装成与内部衬套116齐平，其中，消声器颈的特征在于关于具有平均功率的燃气涡轮的以下尺寸：
D=直径
A=横截面积=槽流
L=长度
并且有以下关系：
L>5mm
A>5mm2，典型地>50mm2，>100mm2。
通过稀释空气孔114和消声器颈113、118、119、120、121、122喷射的所有冷空气流的总和的范围可为燃烧产物109的质量流率的5至50%。
图5b和5c显示多种布置，其中，消声器颈120沿竖向方向或沿准竖向方向穿过内部衬套。在这个情况下，冷空气直接从相应的消声器容积流到燃烧室(图5b)和/或经由至少一个开口110a沿着消声器颈121流到燃烧室(图5c)。
图5d显示符合消声器功能的导管。它可设置成布置成将空气流体引入燃烧室中的成角度的喷射器122，并且可以任何适当的方式定向。在一个实施例中，喷射器可沿燃烧室的水平方向定向。在其它实施例中，一个或多个喷射器可与一个或多个其它喷射器沿不同的方向定向。
具有显示在图5b和5c中的消声器颈120、121或显示在图5d中的成角度的喷射器122可用作第一消声器颈118和第二消声器颈119。
图1至4中显示的第二燃料喷射器具有喷枪的形式。但是，可使用已知用于二级燃烧器的任何类型燃料喷射器，诸如例如凹槽、凸角。

Claims (16)

1.一种包括燃烧室、一级燃烧器(101)、二级燃烧器(102)和消声器组件的燃烧室组件，所述燃烧室组件用于减少出现在燃气涡轮(100)内部的燃烧室脉动，其中，所述燃气涡轮(100)基本上包括至少一个压缩机(103)，所述一级燃烧器(101)连接在所述压缩机(103)下游，并且所述一级燃烧器(101)的热气(109)至少被允许进入中间涡轮或者直接或间接地进入所述二级燃烧器(102)，其中，所述二级燃烧器(102)的热气被允许进入另一个涡轮或者直接或间接地进入能量回收装置，
其中，所述消声器组件包括至少一个包含空气通道(114)的燃烧器衬套(116)，其中，所述空气通道(114)中的至少一个形成为消声器颈(113)，其中，所述消声器颈(113)连接到消声器容积(112)，并且其中，所述消声器容积为布置成在压缩机空气稳压室和所述燃烧室组件之间延伸的连接管道(111)的一部分，并且，其中所述空气通道(114)中的至少一个布置成将空气喷射到在所述一级燃烧器(101)与所述二级燃烧器(102)中间的热燃烧产物中。
2.根据权利要求1所述的燃烧室组件，其特征在于，所述一级燃烧器(101)和二级燃烧器(102)布置成筒结构。
3.根据权利要求1所述的燃烧室组件，其特征在于，所述一级燃烧器(101)布置成环形结构，而所述二级燃烧器(102)布置成筒结构。
4.根据权利要求1所述的燃烧室组件，其特征在于，所述一级燃烧器(101)布置成筒结构，而所述二级燃烧器(102)布置成环形结构。
5.根据权利要求1所述的燃烧室组件，其特征在于，所述一级燃烧器(101)和所述二级燃烧器(102)布置成环形结构。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的燃烧室组件，其特征在于，所述空气通道(114)和/或所述消声器颈(113)具有圆形、椭圆形、槽形或多边形的流动横截面。
7.根据权利要求6所述的燃烧室组件，其特征在于，所述多边形是长方形或三角形。
8.根据权利要求1至5中的任一项所述的燃烧室组件，其特征在于，所述消声器颈(113)相对于所述燃烧器衬套(116)沿周向方向或准周向方向布置。
9.根据权利要求1至5中的任一项所述的燃烧室组件，其特征在于，所述消声器颈在所述燃烧器衬套(116)的表面上以相互间隔开的方式布置成多个排。
10.根据权利要求1至5中的任一项所述的燃烧室组件，其特征在于，至少一个消声器容积(112)相对于所述燃烧器衬套(116)沿周向方向或准周向方向设置。
11.根据权利要求1至5中的任一项所述的燃烧室组件，其特征在于，所述消声器颈(113)沿径向或沿准径向桥接从相邻或外部消声器容积(112)到所述燃烧器衬套(116)或所述空气通道(114)的间隙。
12.根据权利要求1至5中的任一项所述的燃烧室组件，其特征在于，所述消声器颈(113)设置成与所述燃烧器衬套(116)齐平或穿透到所述燃烧室的内部中。
13.根据权利要求12所述的燃烧室组件，其特征在于，所述消声器颈(113)的设置在所述燃烧室的内部中的部分具有直的或成角度的定向。
14.根据权利要求1至5中的任一项所述的燃烧室组件，其特征在于，所述一级燃烧器(101)和/或二级燃烧器(102)具有至少一个预混合喷燃器。
15.根据权利要求1至5中的任一项所述的燃烧室组件，其特征在于，一个或多个所述消声器颈具有以下尺寸或关系中的一个或多个：
长度= >5mm
横截面积>5mm2
所有横截面积的总和为所述消声器组件上游的用于燃烧器产物的流动面积的5至50%。
16.一种包括根据上述权利要求中任一项所述的燃烧室组件的燃气涡轮。
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