CN103851645B - 用于燃气涡轮燃烧器的阻尼装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于燃气涡轮燃烧器的阻尼装置。其包括：壁，其具有彼此布置成一定距离的第一内壁和第二外壁；多个冷却通道，其在第一内壁和第二外壁之间大致平行地延伸；以及至少一个阻尼空间，其由冷却通道定界，还包括用于将冷却介质从冷却通道供应至阻尼空间内的第一通路和用于将阻尼空间连接到燃烧室的第二通路，其特征在于，固定到内壁的端板将阻尼空间与燃烧室分离，所述端板设有颈部通路，并且附加地设有用于冷却介质的至少一个供给压室、用于冷却介质的至少一个出口压室和至少一个冷却通路，所述至少一个冷却通路使得冷却介质能够从至少一个供给压室流至另一个供给压室或流至至少一个出口压室。

Description

用于燃气涡轮燃烧器的阻尼装置

技术领域

本发明涉及燃气涡轮的领域，特别地涉及具有用于抑制高频范围内热声(thermo-acoustically)诱发的压力振荡的一个或多个装置的贫预混、低排放燃烧系统，该装置必须被适当地冷却以确保明确限定的阻尼性能和足够的使用寿命。

背景技术

燃气涡轮中的贫预混、低排放燃烧系统的缺点在于其表现出产生热声诱发的燃烧振荡的增加的风险。自燃气涡轮发展早期起已成为熟知的问题的这种振荡归因于在热释放速率和压力的波动之间的强耦合，并且会造成机械和热学损坏并限制工况。

抑制这种振荡的一种可能性在于附连诸如四分之一波长管、亥姆霍兹阻尼器或声障板的阻尼装置。

用于包括声障板的具有顺序燃烧的燃气涡轮的再热燃烧系统在文献US2005/229581A1中有所描述。声障板设置在混合区和/或燃烧室内部，其由两个穿孔的壁组成。在两个壁之间的空间可被看作多个一体的亥姆霍兹空间。向后的穿孔板允许面向热燃烧室的板的冲击冷却。

为了防止热气体从燃烧室进入阻尼空间，需要冲击冷却质量流量，这降低了阻尼效率。如果冲击质量流量过小，则热气体会再循环穿过声障板的相邻孔。这种现象被称为热气体摄入。在热气体摄入的情况下，阻尼空间内温度升高。这导致声速的增加并最终导致频率的偏移，阻尼系统已针对此进行设计。频率偏移可导致阻尼效率的大幅降低。此外，当热气体在阻尼空间中再循环时，冷却效率降低，这会导致阻尼装置的热损坏。此外，使用高的冷却质量流量增加了不参与燃烧的空气的量。这导致更高的点火温度并因此造成NOx排放的增加。

所提及的问题的解决方案例如在文献EP2295864中有所描述。这里，多个层联结(brace)在一起以形成单个紧凑的亥姆霍兹阻尼器，该阻尼器使用靠近热燃烧室的内部近壁冷却技术进行冷却。因此，冷却质量流量可急剧减小，而不用面对热气体摄入的问题，从而导致更少的排放和更高的阻尼效率。由于使用单个亥姆霍兹阻尼器，可单独地解决不同的频率。无论使用单个或一组亥姆霍兹阻尼器，设计都基于近壁冷却的适当实施。

EP2402658中公开了用于在具有被冷却的壁部分的燃气涡轮的燃烧室的高频阻尼系统的另一个解决方案。燃烧器壁中形成有沿轴向方向延伸的多个冷却路径。冷却路径在一端连接到诸如蒸汽或冷却空气的冷却介质的源并且在另一端连接到冷却介质排放通道。流过冷却路径的冷却介质冷却通孔的周边部分以避免或最小化在热气体摄入的情况中由热的燃烧气体在经过通孔时引起的热应力。

文献EP2362147描述了关于如何可实现近壁冷却的各种解决方案。近壁冷却通路或者为直通路或者表现为平行于层压板的螺旋形结构。该解决方案的缺点在于：由于近壁冷却通道的形状，部件将由若干层制成，这些层最终必须硬焊在一起。硬焊本身是涡轮机械行业中熟知的技术，但相比其它接合技术具有固有的缺点。

在壁结构中实现不同形状的近壁冷却通道的另一种方式将是使用所谓的“失蜡铸造工艺”。对于广泛用于制造涡轮叶片中的冷却通路的这种技术来说，在铸造过程中使用陶瓷芯来实现以后的冷却通道。相比可避免使用陶瓷芯的铸造工艺，制造成本高几倍。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于燃气涡轮燃烧器的阻尼装置的近壁冷却系统，其具有显著降低的冷却空气质量流量要求，这消除了昂贵的铸造技术的缺点。

该目的由根据权利要求1所述的用于燃气涡轮燃烧器的阻尼装置来实现。

一种用于燃气涡轮燃烧器的阻尼装置，尤其是具有近壁冷却系统的用于衬里段的阻尼装置，包括：壁，其具有彼此布置成一定距离的特别是衬里的第一内壁和第二外壁，其中所述内壁在具有热气体流的一侧上经受高温；多个冷却通道，其在第一内壁和第二外壁之间大致平行地延伸；以及至少一个阻尼空间，其由所述冷却通道定界；第一通路，其用于将冷却介质从冷却通道供应至阻尼空间内；以及第二通路，其用于将阻尼空间连接到燃烧室，其中端板固定到内壁，将阻尼空间与燃烧室分离，所述端板设有颈部通路，并且附加地设有用于冷却介质的至少一个供给压室、用于冷却介质的至少一个出口压室和至少一个冷却通路，该至少一个冷却通路使得冷却介质能够从至少一个供给压室流至另一个供给压室或流至所述至少一个出口压室。

在所述压室之间的冷却通路充当近壁冷却通道。

根据优选实施例，端板的侧边缘设有凹部。当连接到内壁时，这些凹部形成供给压室和出口压室。

新发明能够以降低的冷却空气质量流量要求实现高频率阻尼系统的优化的冷却和使用寿命性能。所述制造工艺使用加工和焊接技术，并且因此消除了硬焊和/或使用陶瓷芯的昂贵铸造技术的所述缺点。新颖的近壁冷却设计能够实现有效的阻尼并降低制造风险。

通常，罐型燃烧系统中的高频率阻尼器以有限的轴向方向范围安装在罐衬里的圆周周围。如果近壁冷却阻尼器方案以这种方式安装，就会在制造过程中出现困难，因为弯曲过程可影响冷却通道几何形状并因此造成不均匀的冷却分布。通过沿轴向方向布置近壁阻尼空间，克服了这些困难。

附图说明

现在将借助于不同实施例并参照附图更详细地解释本发明。

图1示出燃气涡轮的再热燃烧器的示意图；

图2示出燃烧室壁的横截面；

图3示出根据本发明的阻尼装置的放大视图；

图4-6更详细地示出用于根据本发明的阻尼装置的端板的实施例。

附图标记

1燃烧器

2喷燃器(burner)区段

2a前板

3燃烧室

4壁

5内壁，衬里

6外壁，覆盖板

7冷却通道

8固定夹

9阻尼空间

10端板

11用于将冷却介质供应至12的供给通路

12第一供给压室

13声学(acoustic)阻尼装置的颈部通路

14用于冷却介质的通路，近壁冷却通道

15第二供给压室

16出口压室

F冷却介质

G热气体。

具体实施方式

图1示出根据现有技术的具有顺序燃烧的燃气涡轮的再热燃烧器1。燃烧器1包括轴向连接到燃烧室3的喷燃器区段2。进入喷燃器区段2的热气体流借助于延伸进入热气体流中的燃料供应喷射器(例如，燃料喷枪)而被供以燃料，且然后沿混合区流动。在混合区中形成的混合物在其出口处离开喷燃器区段2以膨胀到燃烧室3中。在燃烧室3中，混合物在火焰27中燃烧，从而生成在涡轮(未示出)中膨胀的热气体G。

在喷燃器区段2和燃烧室3之间的接口的特征在于有规则地突然的横截面积变化，其包括从喷燃器区段2的出口延伸至燃烧室3的周壁的垂直前板2a。包括喷燃器区段2和/或燃烧室3和/或前板2a的燃烧器壁的至少一部分4配备有冷却装置。例如，作为整体的燃烧器壁或喷燃器区段2和/或燃烧室3和/或前板2a的任何部分包括内衬里5和距其一定距离处的外覆盖板6，内衬里5和外覆盖板6限定居间的冷却室。诸如空气或蒸汽的冷却介质在该冷却室中循环通过冷却通道7(如由箭头F所指示地)，从而冷却喷燃器区段2、燃烧室3和前板2a。

图2是燃烧室壁的横截面，示出了限定用于冷却介质的通道7的衬里5和覆盖板6。覆盖板6通过使用固定夹8与衬里5接合，固定夹8焊接到从衬里表面延伸的销。在衬里5的外侧上的腹板充当冷却通道7的侧壁并支撑壁结构5、6。在内衬里5和覆盖板6之间的距离中定位有声学阻尼装置。阻尼空间9由冷却通道7定界。在朝向燃烧室3的一侧，阻尼空间9被端板10分隔，如下所述。

该设计的优点在于声学阻尼器的外部形状可在衬里5的铸造过程中并入。为了限定所需的声学空间9并且为了封闭阻尼装置，加工的端板10焊接到衬里5上从而覆盖模制在内的凹部。端板10配备有至少一个通孔13，用于在燃烧室3和阻尼空间9之间的相互作用的颈部通路。

图3以放大图示出根据本发明的阻尼装置的主要结构。燃烧器1的衬里部件5通常通过铸造制造。在铸造过程中，多个凹部9被模制在衬里5中。在随后的步骤中，通过在每个凹部9上焊接端板10来覆盖这些凹部9。由带凹部的衬里5和端板10定界的空间形成阻尼装置的阻尼空间9。至少一个声学颈部通路13并入端板10中，端板10连接燃烧室3与声学阻尼空间9。

带凹部的衬里5的外部充有冷却介质F，流过冷却通道7并因此适当地冷却。但是，由于阻尼装置主要由很少有或没有来自冷却回路7的吹扫空气供应的阻尼空间9组成，在阻尼空间9和燃烧室3之间的壁温度将超出材料极限。结果，必须在端板10中并入附加的冷却装置。用于冷却该部件的一个备选方案是近壁冷却装置。

为了实现用于根据本发明的阻尼装置的近壁冷却方案，在衬里5中建立第一通路11。该通路11在一端连接到冷却通道7。并且在另一端，该通路11连接到第一供给压室12，以使得冷却介质F可流过通路11并且将冷却介质F从冷却通道7供应至该压室12中。该第一压室12设置在衬里5和端板10之间。根据优选实施例，压室12位于端板10中。在端板10的侧边缘的区域中，凹部被铣削到端板10中。当连接到衬里5时，这些凹部形成压室12。并且该压室12是本发明的阻尼装置的近壁冷却系统的起点。

图4、图5和图6更详细地示出端板10的设计的不同实施例。

如从图5可见，冷却供应流F通过第一供给压室12进入近壁冷却装置。从该第一供给压室12起，第二通路14将冷却空气引入第二供给压室15中。该原理重复，直到第二通路14到达出口压室16。在该位置处，冷却供应流F离开端板10，或者进入声学空间9以提供对阻尼装置的一些吹扫，或者冷却供应流F离开端板10进入燃烧室3中。

如可从图6观察到地，将冷却供应流F导引通过端板10的备选方式是可行的。一般的想法是具有连接各个供给压室和出口压室(12、15和16)的直的第二通路。

小的冷却质量流量(由于在近壁冷却装置上的高压降)有效地用来从燃烧室3获得热负载。由于近壁冷却装置的设计完全覆盖端板10，壁温度分布为均匀的。均匀的温度分布减小了热应力并增加了使用寿命。

该结构的优点在于，近壁冷却装置的所有供给压室和通路可通过钻孔、激光切割、水喷、铣削等形成。

迄今为止，这样的冷却技术的实现需要昂贵的铸造工艺(包括陶瓷芯)或硬焊技术，这是难以操纵的。本发明的优点在于，其仅使用加工和焊接技术。

Claims (17)

1.一种用于燃气涡轮燃烧器(1)的阻尼装置，包括：壁(4)，其具有彼此布置成一定距离的第一内壁(5)和第二外壁(6)，其中，所述内壁(5)在具有热气体流的一侧上经受高温；多个冷却通道(7)，其在所述第一内壁(5)和所述第二外壁(6)之间大致平行地延伸；以及至少一个阻尼空间(9)，其由冷却通道(7)定界；第一通路(11)，其用于将冷却介质从冷却通道(7)供应至所述阻尼空间(9)内；以及颈部通路(13)，其用于将所述阻尼空间(9)连接到燃烧室(3)，其特征在于，端板(10)固定到所述内壁(5)，将所述阻尼空间(9)与所述燃烧室(3)分离，所述端板(10)设有所述颈部通路(13)，并且附加地设有用于所述冷却介质的至少一个第一供给压室(12)、用于所述冷却介质的至少一个出口压室(16)和至少一个冷却通路(14)，所述至少一个冷却通路(14)使得冷却介质能够从所述至少一个第一供给压室(12)流至第二供给压室(15)或流至所述至少一个出口压室(16)。

2.根据权利要求1所述的阻尼装置，其特征在于，所述至少一个冷却通路(14)充当近壁冷却通道。

3.根据权利要求2所述的阻尼装置，其特征在于，端板(10)包括多个近壁冷却通道(14)。

4.根据权利要求3所述的阻尼装置，其特征在于，所述多个近壁冷却通道(14)具有大致相同的横截面。

5.根据权利要求1或2所述的阻尼装置，其特征在于，至少一个第一供给压室(12)经由所述内壁(5)中的第一通路(11)与冷却通道(7)连通。

6.根据权利要求1或2所述的阻尼装置，其特征在于，至少两个供给压室(12,15)由多个冷却通路(14)串联连接。

7.根据权利要求6所述的阻尼装置，其特征在于，至少三个供给压室(12,15)串联连接。

8.根据权利要求6所述的阻尼装置，其特征在于，连续的压室(12,15,16)布置在所述端板(10)的不同侧边缘处。

9.根据权利要求8所述的阻尼装置，其特征在于，连续的压室(12,15,16)布置在所述端板(10)的相对边缘处。

10.根据权利要求9所述的阻尼装置，其特征在于，所述多个冷却通路(14)平行延伸。

11.根据权利要求1或2所述的阻尼装置，其特征在于，所述至少一个出口压室(16)与所述阻尼空间(9)或所述燃烧室(3)连通。

12.根据权利要求1所述的阻尼装置，其特征在于，所述端板(10)的侧边缘设有凹部，并且这些凹部与连接的内壁(5)相互作用形成所述压室(12,15,16)。

13.根据权利要求1-4中的一项所述的阻尼装置，其特征在于，端板(10)通过焊接固定到所述内壁(5)。

14.根据权利要求1-4中的一项所述的阻尼装置，其特征在于，所述内壁(5)为燃气涡轮燃烧器(1)的衬里。

15.根据权利要求1-4中的一项所述的阻尼装置，其特征在于，壁(4)包括不止一个单独的阻尼空间(9)。

16.根据权利要求15所述的阻尼装置，其特征在于，所述不止一个单独的阻尼空间(9)沿所述燃烧器的轴线的轴向方向布置。

17.根据权利要求15所述的阻尼装置，其特征在于，单独的阻尼空间(9)具有不同的频率。