CN105121961A - 配备有亥姆霍兹共振器的燃气涡轮机燃烧器组件 - Google Patents

Abstract

一种用于燃气涡轮机的燃烧器组件，包括围绕轴线(B)延伸的主燃烧器(20)，和具有共振室(35)以及将共振室(35)和外部流体连接的通路(36，37)的亥姆霍兹共振器(22)。主燃烧器(20)进一步包括围绕轴线(B)延伸的内部主体(25)和外部主体(26)，和设置在内部主体(25)和外部主体(26)之间并且限定混合通道(30)的旋流器(23)。共振室(35)围绕外部主体(26)的、邻近旋流器(23)的进口(31)的边缘布置。外部主体(26)限定共振室(35)的一部分并且成形为防止亥姆霍兹共振器(22)和混合通道(30)之间直接流体连接。

Description

配备有亥姆霍兹共振器的燃气涡轮机燃烧器组件

技术领域

本发明涉及一种配备有亥姆霍兹共振器的涡轮机燃烧器组件。

背景技术

如已知的，在大型燃气涡轮机中，特别是在用于电力生产的设备中使用的那些大型燃气涡轮机中，需要解决可能导致火焰不稳定和燃烧品质明显降低的热声振荡的问题。因此，根据功率和效率的机器性能以及设备灵活性显著恶化。排放也会降低。

正在流行的解决方案包括使用亥姆霍兹共振器，其在给定频带中具有减弱声学振荡的效果。亥姆霍兹共振器包括共振室，共振室被设置为通过流体开口或通道与外部流体连通，特别是与燃烧室流体连通。共振室的容量和流体通道的特征决定共振器有效时所在的频带。

已知的共振器通常相对于燃烧室安装，安装在燃烧器插入件上或直接安装在燃烧器上。

在第一种情况下，共振器固定于燃烧室的外壁并且通过侧壁本身与内部连通。该解决方案允许产生高容量共振器，但在另一方面具有许多缺点。首先，为了容纳共振器，需要特别改进燃烧室。此外，共振器的存在影响冷却步骤并且导致结构承受大的重量。

安装在插入件上的共振器很容易被应用，但仅允许获得给定的小的可用空间的适度的容量。

安装在燃烧器上的共振器被设置为共振室直接与燃烧器内部流体连续，特别地，与空气和流体混合通道流体连续。通常通过流体注射喷嘴下游的开口获得连接。该解决方案是关键的，因为其直接作用于从燃烧区域传播到混合通道内的压力振荡。如果共振器不能完全被调整到要被减弱的频率，则压力振荡不能被充分减弱，甚至可能被放大。

发明内容

因此，本发明的目标是提供一种用于涡轮机的燃烧器，其允许克服所述的限制。

根据本发明，提供一种如权利要求1限定的涡轮机燃烧器组件。

附图的简要说明

现在将参照附图描述本发明，附图示出其中的一些非限制实施方式，其中：

-图1是沿纵向平面截取的燃气涡轮机系统的一部分的侧视图；

-图2是沿纵向平面截取的、包含在图1中的系统中的、根据本发明的实施方式的燃烧器组件的侧视图；

-图3是沿不同的纵向平面截取的并且为了清晰而部分被移除的、图2中的燃烧器组件的放大细节的透视图；以及

-图4是图3中细节的不同透视图，其中为了清晰而部分被移除。

实施本发明的最优方式

参照图1，用于产生电力的燃气涡轮机系统作为一个整体通过附图标记1表示，并且包括压缩机2、燃烧室3和涡轮机5。

压缩机2、燃烧室3和涡轮机5形成为涡轮机组件，涡轮机组件可被供给多种形式的液体燃料，特别地、但是不仅仅是天然气、合成气、柴油。

压缩机2和涡轮机5安装至相同轴以形成转子7，转子7容纳在壳体8中并且沿轴线A延伸。

更详细地，转子7设置有多个排列为环形阵列的压缩机转子叶片10和涡轮机转子叶片11，压缩机转子叶片10和涡轮机转子叶片11沿转子7自身的轴线A顺次布置。

压缩机定子叶片12和涡轮机定子叶片13的阵列固定于壳体8，并且各自在压缩机转子叶片10和涡轮机转子叶片11之间被分隔开。

在此描述的实施方式中，燃烧室3是圆环类型的，并且围绕压缩机2和涡轮机5之间的转子7布置。然而，这不应认为是限制，因为本发明也可有利地使用不同类型、特别是筒仓类型的燃烧室。

燃烧室3包括多个燃烧器组件15，其被布置在圆周上并且被均匀地、成角度地隔开。燃烧器组件15通过各自的燃烧器插入件17安装至燃烧室的各自的燃烧器座16。

图2示出用于将燃料、特别是燃气供给到燃烧室3的一个燃烧器组件15的细节。燃烧器组件15沿轴线B延伸，并且包括主外围燃烧器20、与主燃烧器20同轴的中心辅助燃烧器21以及亥姆霍兹共振器22。

主燃烧器20是预混合型的，其围绕辅助燃烧器21布置并且固定于各自的燃烧器插入件17。更详细地，主燃烧器20延伸穿过燃烧器插入件17的中心开口17a，使得主燃烧器20的出口在燃烧器室3中。

主燃烧器20设置有涡流或湍流产生装置，称为对角旋流器，表示为附图标记23。

对角旋流器23围绕轴线B延伸，并且径向地限定在主燃烧器20的内部主体25和外部主体26之间。内部主体25具有其中容纳辅助燃烧器21的圆柱形轴向室，并且基本上是朝向外部的截头圆锥形。外部主体26是轴向空心的，并且包括通过接合部分26c互相连接的截头圆锥形壁26a和圆柱形壁26b。截头圆锥形壁26a容纳内部主体25，使得形成用于供给空气-燃料混合物的通路的、基本环形的空间限定在外部主体26的截头圆锥形壁26a和内部主体25之间。

对角旋流器23进一步包括成排的叶片28，叶片28在内部主体25和外部主体26之间的空间中延伸并且限定各自的混合通道30，以朝相对于轴线B具有对角形式的燃烧室3输送燃烧供给空气和燃料的混合物。叶片28通过特殊螺母29a固定于外部主体16，特殊螺母29a布置为穿过沿圆周形成在截头圆锥形壁26a中的各自的孔29b。密封件29c确保共振器22的容积和预混合通道30之间的流体分离。混合通道30的进口31限定在外部主体26的截头圆锥形壁26a的较大基部处，并且允许引入来自压缩机2的空气流。靠近混合通道30的进口31布置的喷嘴32连接至预混供给管路(未示出)，并且允许混合通道30自身内部的受控燃料流量的喷射。在实施方式中，喷嘴32布置在叶片28上。来自压缩机2的空气和通过喷嘴32喷射的燃料在混合通道30中混合。因此，产生的空气-燃料混合物向通入燃烧室3的圆柱形壁26b扩展。

亥姆霍兹共振器22包括共振室35和短管36，短管36用于将共振室35流体连接至外部。

共振室35基本是环形的，并且围绕外部本体26的截头圆锥形壁26a布置、在对角旋流器23的进口31和燃烧器插入件17之间。在一个实施方式中，特别地，共振室35设置在外部本体26的、邻近对角旋流器23的进口31的边缘处。更详细地，共振室35通过外部本体26的截头圆锥形壁26a在内部被限定，并且通过环形封闭壁38在外部被限定。在轴向上，环形封闭壁38在压缩机2侧延伸至外部本体26的、对应于混合通道30的进口31的边缘。相反，朝向燃烧器插入件17，环形封闭壁38通过外部主体26的连接环39限定，燃烧器组件15通过连接环39被连接至燃烧器插入件17本身。在一个实施方式中，环形封闭壁38可逆地耦合至外部本体26的截头圆锥形壁26a，例如，通过螺钉紧固装置(未示出)耦合。可选地，环形封闭壁38可以焊接至截头圆锥形壁26a或者与截头圆锥形壁26a一体制成。环形封闭壁38具有多个连接孔37，连接孔37沿圆周布置并且限定通路，以允许空气流从压缩机2引入共振室35。

连接环39(图3)具有T形交叉部，以及第一部分39a和第二部分39b。第一部分39a，其是平坦的并且限定T形部的腿部，其基本在垂直于燃烧器组件15的轴线B的平面上延伸，并且在朝向燃烧器插入件17和燃烧器室3的一侧、在轴向上限定共振室35。连接环39的第二部分39b基本是圆柱形的，并且在其相反侧垂直于第一部分39a延伸。在压缩机侧，连接环39的第二部分39a与环形封闭壁38接触，而外侧表面耦合至燃烧器插入件17。

第二部分39b具有冷却通路40，其通过沿圆周的外面上的槽限定并且在轴向上延伸。冷却通路40使得压缩机2的输送空气与燃烧室3连通，因此冷却燃烧插入件17。特别地，冷却通路40的进口位于相对于连接环39的第一部分39a朝向压缩机2的一侧。冷却通道40确保燃烧器插入件17的连续冷却，与组件的不确定性以及热膨胀的影响无关。

亥姆霍兹共振器22的短管36架设在截头圆锥形壁26的外表面上，并且延伸穿过连接环39和燃烧器插入件17。共振室35和短管36的开口相对于燃烧器插入件17位于相反侧。因此，布置短管36以使共振室35穿过连接环39和燃烧器插入件17与外部流体连通。

共振室35不与对角旋流器23的混合室30直接流体连接。通过截头圆锥形壁26a并且通过截头圆锥形壁26a和螺母29a之间的密封件29c来确保两种环境的分离，从而防止从孔29b泄漏。

共振室35仅通过短管36与燃烧室3流体耦合。

环形封闭壁38中的连接孔37具有三重效果：它们允许保持从压缩机2穿过共振室35至燃烧室3的空气流动，因此避免热烟气朝共振室35自身的回流；它们允许共振室35内部的热力性质保持接近恒定；并且它们在燃烧室3中扩大动态压力脉动的共振频带。

在系统1中，如果需要，亥姆霍兹共振器22可以固定在所有燃烧器组件15上或者仅仅固定在一些燃烧器组件15上。进一步，亥姆霍兹共振器22可以是彼此不同的。每个亥姆霍兹共振器22的频带特征实际由共振室35、短管36和连接孔37的几何形状决定。为了优化最关键的频带上的热声振荡减弱效果，通过为每一个亥姆霍兹共振器22选择共振室35的容积和形状、短管36的数量、长度和横截面(面积和外形)以及连接孔37的数量、位置和直径，亥姆霍兹共振器22可以被调整到各自的频率。在一个实施方式中，例如，每个亥姆霍兹共振器22具有各自的减振频带，并且不同燃烧器组件的亥姆霍兹共振器的减振频带不一致，即使它们可以部分重叠。

所述类型的燃烧器组件具有各种优点。首先，可以获得大容量共振室而无需对燃烧室进行大改进(也为了改装干预)，并且无需对结构产生明显影响。实际上，一方面，取决于旋流器进口的主燃烧器周围的可用空间变宽，因此可以制造相对大容积的亥姆霍兹共振器。另一方面，共振室由属于主燃烧器的结构元件被部分地限定。添加环形封闭壁仅允许完成共振室，而对于燃烧器组件的改变是不明显的，并且不会显著增加重量。因此，小的改进足以容纳亥姆霍兹共振器的短管。进一步，所述的解决方案允许选择最适当的几何结构用于亥姆霍兹共振器，具有大范围的灵活性。

进一步的优点是燃烧器组件、特别是对角旋流器的进口区域容易维护。因此，维修或改装干预可以容易地实施。

最终，显而易见的是可以对所述燃烧器组件进行改变和变化而不背离如权利要求中所定义的本发明的范围。

Claims (15)

1.一种涡轮机燃烧器组件包括：

主燃烧器(20)，其围绕轴线(B)延伸；以及

亥姆霍兹共振器(22)，其具有共振室(35)和将共振室(35)和外部流体连接的通路(36，37)；

其中主燃烧器(20)包括：

内部主体(25)和外部主体(26)，该内部主体(25)和外部主体(26)围绕轴线(B)延伸；以及

旋流器(23)，其设置在内部主体(25)和外部主体(26)之间并且限定混合通道(30)；

其特征在于，共振室(35)围绕外部主体(26)的、邻近旋流器(23)的进口(31)的边缘延伸；并且其中，外部主体(26)限定共振室(35)的一部分并且成形为防止亥姆霍兹共振器(22)和混合通道(30)之间直接流体连接。

2.如权利要求1所述的燃烧器组件，其中，外部主体(26)具有截头圆锥形壁(26a)，并且旋流器(23)的进口(31)位于外部主体(26)的截头圆锥形壁(26a)的较大基部处。

3.如权利要求1或2所述的燃烧器组件，其中，共振室(35)是基本环形的。

4.如前述任意一项权利要求所述的燃烧器组件，包括环形封闭壁(38)，其在外部限定共振室(35)。

5.如权利要求4所述的燃烧器组件，其中，通路(36，37)包括环形封闭壁(38)中的连接孔(37)。

6.如前述任意一项权利要求所述的燃烧器组件，包括燃烧器插入件(17)，其用于连接至燃气涡轮机的燃烧室(3)的燃烧器座(17a)；其中，共振室(35)在旋流器(23)的进口(31)和燃烧器插入件(17)之间围绕外部主体(26)延伸。

7.如权利要求6所述的燃烧器组件，其中，通路(36)包括短管(36)，短管(36)布置为穿过燃烧器插入件(17)将共振室(35)流体耦合至外部。

8.如权利要求7所述的燃烧器组件，其中，短管(36)延伸穿过燃烧器插入件(17)。

9.如权利要求4和权利要求6至8中任意一项所述的燃烧器组件，其中，外部主体(26)包括连接环(39)，外部主体(26)通过连接环(39)连接至燃烧器插入件(17)；其中，环形封闭壁(38)在旋流器(23)的进口(31)和连接环(39)之间围绕外部主体(26)延伸。

10.如权利要求2至9中任意一项所述的燃烧器组件，其中，截头圆锥形壁(26a)具有用于旋流器(23)的叶片(28)的紧固孔(29b)；并且截头圆锥形壁(26a)和在紧固孔(29b)中的密封件(29c)将共振室(35)和混合通道(30)流体分隔。

11.如前述任意一项权利要求所述的燃烧器组件，其中，共振室(35)仅通过通路(36，37)流体耦合至外部。

12.如前述任意一项权利要求所述的燃烧器组件，其中，共振室(35)不通过外部主体(26)与旋流器(23)流体连接。

13.如前述任意一项权利要求所述的燃烧器组件，包括与主燃烧器(20)同轴的辅助燃烧器(21)。

14.一种涡轮机组件，包括燃烧室(3)；和多个如前述任意一项权利要求所述的燃烧器组件(15)，该燃烧器组件(15)固定于燃烧室(3)的各自的燃烧器座(16)。

15.如权利要求14所述的涡轮机组件，其中，每个亥姆霍兹共振器具有各自的减振频带，并且各个燃烧器组件(15)的亥姆霍兹共振器的减振频带不一致。