CN105937447A - 重型燃气涡轮入口系统 - Google Patents

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Abstract

公开一种用于燃气涡轮入口系统管道的消音器设备。入口管道包含主消音器和预消音器，以及位于消音器之间的入口抽气加热器(“IBH”)。预消音器降低来自涡轮压缩机的噪声水平，并且使得空气流量/温度分布较均匀。主消音器使来自IBH的噪声和来自压缩机的其余噪声降低到合适水平。主消音器包括沿着气体流方向设置在燃气涡轮入口管道中的第一多个声音吸收分流器。预消音器包括第二多个声音吸收分流器，它们沿着气体流方向设置在燃气涡轮入口管道中，但相对于第一多个分流器交错，从而阻挡来自压缩机的、与入口管道中的气体流方向相反地行进的噪声声波的直线行进。

Description

重型燃气涡轮入口系统
技术领域
本发明涉及燃气涡轮，并且更特别地，涉及用于重型燃气涡轮的入口导管消音器。
背景技术
燃气涡轮大小范围不等，从小于50 hp(37.3 kW)的微型涡轮到超过250000 hp(190 kW)的大型工业涡轮。燃气涡轮产生的噪声主要是在涡轮的空气入口中产生的高频噪声，少量噪声来自涡轮排气口。燃气涡轮中产生的进口噪声的主要成分是涡轮的压缩机旋转所产生的频率。
典型地，使用入口消音器来削弱涡轮空气入口中产生的噪声，入口消音器安装在空气过滤器和涡轮空气压缩机入口之间的空气入口管道中。大型燃气涡轮中使用的传统进口消音器典型地包括噪声减小结构，它包括沿着气体流方向平行地设置的多个声音吸收分流器。典型地，传统进口消音器的噪声减小效率不理想，因为待降低的噪声频率和传统进口消音器可降低的频率不匹配。通常，进口消音器的长度基于待实现的噪声减小量而增加，并且因而，典型地，进口消音器较重，因为分流器由钢框架制成，钢框架由多孔钢板覆盖，多孔钢板包含声音吸收材料，诸如矿物棉。
因而，本发明解决问题的是减小长度，以及降低重型燃气涡轮入口侧的成本，因为结合了两级入口消音器和涡轮入口抽气加热器系统。
发明内容
本发明涉及用于重型燃气涡轮(“GT”)入口系统的入口导管设计。入口导管包含两组消音器，即，主消音器和预消音器，以及位于消音器组之间的入口抽气加热器(“IBH”)。预消音器使涡轮压缩机的噪声水平降低平均20-40 dB，并且使空气流量/温度分布较均匀。IBH具有双管设计，空气来自两个管的同一侧(顶部)。主消音器使来自IBH的噪声和来自压缩机的其余噪声降低到合适水平。
在本发明的示例性实施例中，用于燃气涡轮的包括入口抽气加热器的入口系统的消音器设备包括沿着气体流方向设置在燃气涡轮入口管道中的主消音器，以及也沿着气体流方向设置在燃气涡轮入口管道中的预消音器，涡轮入口抽气加热器位于主消音器和预消音器之间。
在本发明的另一个示例性实施例中，用于燃气涡轮的包括入口抽气加热器的入口系统的消音器设备包括沿着气体流方向平行地设置在燃气涡轮入口管道中的第一多个声音吸收分流器，以及沿着气体流方向平行地设置在燃气涡轮入口管道中的第二多个声音吸收分流器，涡轮入口抽气加热器位于第一和第二多个分流器之间，并且第二多个分流器相对于第一多个分流器定位，使得第一和第二多个分流器沿着气体流方向在燃气涡轮入口管道中彼此交错，以便从而阻挡来自压缩机和/或涡轮的、在燃气涡轮入口管道中与气体流方向相反地行进的、呈声波形式的噪声的直线行进。
在本发明的另一个示例性实施例中，用于燃气涡轮入口系统的消音器设备包括：主消音器，其包括沿着气体流方向平行地设置在燃气涡轮入口管道中的第一多个声音吸收分流器；以及预消音器，其包括沿着气体流方向平行地设置在燃气涡轮入口管道中的第二多个声音吸收分流器，第二多个分流器的前缘位于第一多个分流器的后缘后面的预定距离处，沿着气体流方向在燃气涡轮入口管道中测量预定距离，涡轮入口抽气加热器位于主消音器和预消音器或第一和第二多个分流器之间，第二多个分流器相对于第一多个分流器定位，使得第一和第二多个分流器沿着气体流方向在燃气涡轮入口管道中彼此交错，以便从而阻挡来自压缩机和/或涡轮的、在燃气涡轮入口管道中与气体流方向相反地行进的、呈声波形式的噪声的直线行进，而且第一和第二多个分流器中的各个由钢框架制成，钢框架由多孔钢板覆盖，多孔钢板包含声音吸收材料。
技术方案1. 一种用于燃气涡轮的入口系统的消音器设备，所述入口系统包括入口抽气加热器，所述消音器设备包括：
沿着气体流方向设置在所述燃气涡轮入口管道中的主消音器，以及
也沿着所述气体流方向设置在所述燃气涡轮入口管道中的预消音器，
所述涡轮的入口抽气加热器位于所述主消音器和所述预消音器之间。
技术方案2. 根据技术方案1所述的消音器设备，其特征在于，所述主消音器包括第一多个声音吸收分流器，所述第一多个声音吸收分流器沿着所述气体流方向设置在所述燃气涡轮入口管道中，以及
其中，所述预消音器包括第二多个声音吸收分流器，所述第二多个声音吸收分流器也沿着所述气体流方向设置在所述燃气涡轮入口管道中。
技术方案3. 根据技术方案2所述的消音器设备，其特征在于，所述第一多个声音吸收分流器沿着所述气体流方向平行地设置在所述燃气涡轮进口管道中，并且所述第二多个声音吸收分流器沿着所述气体流方向平行地设置在所述燃气涡轮进口管道中。
技术方案4. 根据技术方案2所述的消音器设备，其特征在于，所述第一多个分流器在所述燃气涡轮进口管道中的气体流中位于所述第二多个分流器的上游，比所述第二多个分流器更接近所述涡轮的空气过滤间。
技术方案5. 根据技术方案2所述的消音器设备，其特征在于，所述第二多个分流器在所述气体流中位于所述第一多个分流器的下游，比所述第一多个分流器更接近将空气输入到所述涡轮的空气压缩机的入口。
技术方案6. 根据技术方案2所述的消音器设备，其特征在于，所述第一多个分流器中的各个具有第一预定尺寸，沿着所述燃气涡轮入口管道中的气体流方向测量所述第一预定尺寸，并且所述第二多个分流器中的各个具有第二预定尺寸，沿着所述燃气涡轮入口管道中的气体流方向测量所述第二预定尺寸，并且所述第二预定尺寸小于所述第一预定尺寸。
技术方案7. 根据技术方案2所述的消音器设备，其特征在于，所述第二多个分流器的前缘位于所述第一多个分流器的后缘后面的预定距离处，沿着所述燃气涡轮入口管道中的气体流方向测量所述预定距离。
技术方案8. 根据技术方案2所述的消音器设备，其特征在于，所述第一和第二多个分流器中的各个由钢框架制成，所述钢框架由多孔钢板覆盖，所述多孔钢板包含声音吸收材料。
技术方案9. 根据技术方案8所述的消音器设备，其特征在于，所述声音吸收材料是矿物棉。
技术方案10. 根据技术方案2所述的消音器设备，其特征在于，所述第二多个分流器相对于所述第一多个分流器定位，使得所述第一和第二多个分流器沿着所述燃气涡轮入口管道中的气体流方向彼此交错。
技术方案11. 根据技术方案10所述的消音器设备，其特征在于，所述第一和第二多个分流器彼此交错，以便从而阻挡来自所述压缩机和/或涡轮的、与所述燃气涡轮入口管道中的气体流方向相反地行进的、呈声波形式的噪声的直线行进。
技术方案12. 根据技术方案2所述的消音器设备，其特征在于，所述第一和第二多个分流器中的各个的纵向尺寸超过2英尺，其中所述第一多个分流器中的各个的纵向尺寸大于所述第二多个分流器中的各个的纵向尺寸。
技术方案13. 一种用于燃气涡轮的入口系统的消音器设备，所述入口系统包括入口抽气加热器，所述消音器设备包括：
第一多个声音吸收分流器，其沿着气体流方向平行地设置在所述燃气涡轮入口管道中，以及
第二多个声音吸收分流器，其沿着所述气体流方向平行地设置所述燃气涡轮入口管道中，
所述涡轮入口抽气加热器位于所述第一和第二多个分流器之间，以及
所述第二多个分流器相对于所述第一多个分流器定位，使得所述第一和第二多个分流器沿着所述气体流方向在所述燃气涡轮入口管道中彼此交错，以便从而阻挡来自所述压缩机和/或涡轮的、与所述燃气涡轮入口管道中的气体流方向相反地行进的、呈声波形式的噪声的直线行进。
技术方案14. 根据技术方案13所述的消音器设备，其特征在于，所述第一和第二多个分流器中的各个由钢框架制成，所述钢框架由多孔钢板覆盖，所述多孔钢板包含声音吸收材料，诸如矿物棉。
技术方案15. 根据技术方案13所述的消音器设备，其特征在于，所述第一多个分流器中的各个具有第一预定尺寸，沿着所述燃气涡轮入口管道中的气体流方向测量所述第一预定尺寸，并且所述第二多个分流器中的各个具有第二预定尺寸，沿着所述燃气涡轮入口管道中的气体流方向测量所述第二预定尺寸，并且所述第二预定尺寸小于所述第一预定尺寸。
技术方案16. 根据技术方案13所述的消音器设备，其特征在于，所述第二多个分流器的前缘位于所述第一多个分流器的后缘后面的预定距离处，沿着所述燃气涡轮入口管道中的气体流方向测量所述预定距离。
技术方案17. 根据技术方案13所述的消音器设备，其特征在于，所述第一和第二多个分流器中的各个的纵向尺寸超过2英尺，其中所述第一多个分流器中的各个的纵向尺寸大于所述第二多个分流器中的各个的纵向尺寸。
技术方案18. 根据技术方案13所述的消音器设备，其特征在于，所述第一多个分流器中的各个具有第一预定尺寸，沿着所述燃气涡轮入口管道中的气体流方向测量所述第一预定尺寸，并且所述第二多个分流器中的各个具有第二预定尺寸，沿着所述燃气涡轮入口管道中的气体流方向测量所述第二预定尺寸，并且所述第二预定尺寸小于所述第一预定尺寸。
技术方案19. 根据技术方案13所述的消音器设备，其特征在于，所述第一多个分流器在所述燃气涡轮进口管道中的气体流中位于所述第二多个分流器的上游，比所述第二多个分流器更接近所述涡轮的空气过滤间，并且其中，所述第二多个分流器在所述气体流中位于所述第一多个分流器的下游，比所述第一多个分流器更接近将空气输入到所述涡轮的空气压缩机的入口。
技术方案20. 一种用于燃气涡轮入口系统的消音器设备，包括：
主消音器，其包括第一多个声音吸收分流器，它们沿着气体流方向平行地设置在所述燃气涡轮入口管道中，以及
预消音器，其包括第二多个声音吸收分流器，它们沿着所述气体流方向平行地设置在所述燃气涡轮入口管道中，
所述第二多个分流器的前缘位于所述第一多个分流器的后缘后面的预定距离处，沿着所述燃气涡轮入口管道中的气体流方向测量所述预定距离，
所述涡轮入口抽气加热器位于所述主消音器和所述预消音器或所述第一和第二多个分流器之间，
所述第二多个分流器相对于所述第一多个分流器定位，使得所述第一和第二多个分流器沿着所述气体流方向在所述燃气涡轮入口管道中彼此交错，以便从而阻挡来自所述压缩机和/或涡轮的、与所述燃气涡轮入口管道中的气体流方向相反地行进的、呈声波形式的噪声的直线行进，
所述第一和第二多个分流器中的各个由钢框架制成，所述钢框架由多孔钢板覆盖，所述多孔钢板包含声音吸收材料。
附图说明
图1是多级燃气涡轮系统的简化示意图。
图2是在燃气涡轮系统中使用的结构壳体和管道的一个实施例的简化透视图。
图3是在燃气涡轮的传统进口消音器中的燃气涡轮入口管道中的现有技术的消音器和IBH的局部平面图的简化示意图。
图4是在本发明的燃气涡轮入口管道设计中使用的两组消音器和入口抽气加热器(“IBH”)的局部平面图的简化示意图。
图5是用来形成燃气涡轮的本发明的改进的入口消音器的过滤器和进口管道和主消音器和预消音器的简化侧视图。
图6A是关于公开的入口导管消音器设计和现有技术的入口导管消音器设计的介入损耗的两个曲线图的标图，并且
图6B是 图6A中显示的两个标图之间的差别(或差异)的标图。
具体实施方式
本发明涉及燃气涡轮，并且更特别地，涉及用于重型燃气涡轮的入口导管消音器。
图1是多级燃气涡轮系统10的简化示意图。图1中显示的燃气涡轮系统10包括：压缩机12，其将进入的空气11压缩到高压；燃烧器14，其燃烧燃料13，以便产生高压、高速热气体17；以及涡轮16，其使用涡轮叶片(图1中未显示)从自燃烧器14进入涡轮16的高压、高速热气体17中抽取能量，涡轮叶片由于热气体17穿过它们而旋转。在涡轮16旋转时，连接到涡轮16上的轴18也跟着旋转。如图1中显示的那样，涡轮16是多级涡轮，它具有第一级和第二级，分别显示和标为16A和16B。为了最大程度地提高涡轮效率，随着热气体17/17A从涡轮16的第一级16A流到涡轮16的第二级16，热气体17/17A膨胀(并且从而降低压力)，从而在热气体17穿过时，在涡轮16的不同的级中产生功。
如上面提到的那样，典型地使用入口消音器使涡轮空气入口中产生的噪声衰减，入口消音器安装在涡轮空气过滤器和涡轮空气压缩机入口之间的空气入口管道中。图2是燃气涡轮系统中使用的结构壳体和管道的一个实施例的透视图。压缩机12、燃烧器14和涡轮16位于涡轮封罩20中。进入到压缩机12/燃烧器14中且然后进入到涡轮16中的空气11被位于空气过滤间22中的入口过滤器过滤。来自入口过滤间22的经过滤空气然后传送到出口气室23，并且通过蒸发冷却器和进口导管到达进口消音器导管24，进口消音器导管24包含入口消音器，使得入口消音器位于入口过滤间22和位于壳体20中的空气压缩机12的入口之间。由涡轮16排出的热气体19馈送到排气烟囱26，排气烟囱26位于涡轮封罩20后面。排气烟囱26也包含排气消音器。发电机封罩28遵从排气烟囱26。
图3是在燃气涡轮系统(如图1中显示的系统10)的进口管道中使用的传统进口消音器30的局部平面图的简化示意图。如图3中显示的那样，入口空气31从左流到右，而来自压缩机和/或涡轮的呈声波形式的噪声从右向左传播。进口消音器30包括噪声减小结构，它包括多个声音吸收分流器32，声音吸收分流器32沿着气体流方向31平行地设置在位于涡轮空气过滤间22和空气压缩机12的入口之间的燃气涡轮进口管道24中。各个分流器32具有沿着气体流方向31在燃气涡轮进口管道24中测量的限定尺寸D1。典型地，尺寸D1是重型气体涡轮入口系统中的104"。位于分流器32和空气压缩机12的入口之间的是涡轮入口抽气加热器(“IBH”)33。“入口抽气加热器”由配备有干式低NOx(DLN)燃烧器的重型燃气涡轮用来在比别的情况下可行的负载更低的负载下保持低排放预混合燃烧模式。
图4是根据本发明在燃气涡轮系统 (再次，如图1显示系统10)的入口管道中使用的入口消音器40的局部平面图的简化示意图。如图4中显示的那样，入口空气41从左流到右，而来自压缩机和/或涡轮的呈声波形式的噪声从右向左传播。入口消音器40包括噪声减小结构，它包括：主消音器，其包括沿着气体流方向41平行地设置在燃气涡轮入口管道44中的第一多个声音吸收分流器42；以及预消音器，其包括也沿着气体流方向41平行地设置在燃气涡轮入口管道44中的第二多个声音吸收分流器45。
第一多个声音吸收分流器42和第二多个声音吸收分流器45位于入口管道44中，在涡轮空气过滤间22和通往空气压缩机12的入口之间。第一多个分流器42在气体流中位于第二多个分流器45的“上游”，比第二多个分流器45更接近涡轮空气过滤间22。相反，第二多个分流器45在气体流中位于第一多个分流器42的“下游”，比第一多个分流器42更接近入口空气压缩机12。位于第一多个分流器42和第二多个分流器45之间的是涡轮入口抽气加热器43。
应当注意，声音吸收分流器42和45的数量显著超过图4中显示的数量。以示例的方式，而且不意于限制，一个设计可能在气体涡轮入口管道44中使用26个主消音器42和/或预消音器分流器45，而另一个设计可能使用36个主消音器和/或预消音器分流器。另一个设计仍然可能在这种燃气涡轮入口管道44中使用五十个(50)主消音器分流器42和五十个(50，相同数量)预消音器类型分流器45。
多个分流器42中的各个具有沿着燃气涡轮入口管道44中的气体流方向41测量的选定尺寸D2，而且选定尺寸D2小于前面的分流器32的尺寸D1。多个分流器45中的各个还具有选定尺寸D3，也是沿着燃气涡轮入口管道44中的气体流方向41测量选定尺寸D3，并且选定尺寸D3小于尺寸D2。第二多个分流器45的前缘位于第一多个分流器42的后缘的距离D3处。分流器42和45由钢框架制成，钢框架由多孔钢板覆盖，多孔钢板包含声音吸收材料，例如矿物棉，这与图3中显示的分流器32相同。分流器45和分流器42定位成以便如图4中显示的那样沿着燃气涡轮入口管道44中的气体流方向41彼此交错，从而阻挡从右行进到左或者与燃气涡轮入口管道44中的气体流方向41相反的声波的“直线行进”。分流器42和45的尺寸D2和D4应当各自超过2英尺，尺寸D2优选地大于尺寸D4。在用于重型燃气涡轮入口系统的公开的入口导管消音器设备的优选实施例中，尺寸D4为48"、36"、32"或28"，但应当注意的是，可针对具有不同的噪声减小要求的不同的应用来修改这个尺寸。
图5是过滤器和进口管道和主消音器分流器和预消音器分流器的简化侧视图，主消音器分流器和预消音器分流器用来形成本发明的用于燃气涡轮的改进的入口消音器。这里，入口空气41再次从左流到右，并且噪声从右传播到左，如图4中那样，使得进入到压缩机12/燃烧器14且然后涡轮16中的空气11由位于空气过滤间22中的入口过滤器过滤。来自入口过滤间22的经过滤空气然后传送到出口气室23，并且然后传送到入口导管44，入口导管44包含入口消音器40。优选地，入口导管44的底壁位于地面上(或者接近地面)，以便不需要隔离。入口消音器40包括主消音器(即，多个声音吸收分流器42)、涡轮IBH 43和预消音器(即，多个声音吸收分流器45)，预消音器位于主消音器42和IBH 43的下游。
预消音器分流器45提供至少三个优点。第一，将涡轮噪声降低到20 dB或高达40 dB的更低水平。第二，它们使得流量/温度较均匀地分配在通往压缩机12入口的空气流道中，使得它可帮助IBH较好地混合来自压缩机排气口的热空气与周围空气。降低温度失真对压缩机喘振裕度是有益的。最后，由于预消音器非常接近来自压缩机12的噪声源，所以预消音器分流器后面的噪声水平降低使得导管的上游区段不需要那么多隔离，这可节约成本。
公开的入口导管消音器设备提供比现有技术的入口导管消音器设计高大约8dB的介入损耗的显著得更好的声学性能。在图6A中显示公开的入口导管消音器设计和现有技术的入口导管消音器设计的介入损耗的两个曲线图。“介入损耗”可定义为在给定位置处由于噪声控制装置置于声音源和那个位置之间的声音路径而降低的噪声水平。通过以倍频带或1/3倍频带表示。可从图6A中看出， 公开的入口导管消音器设计的以“dB”表示的介入损耗标图60小于现有技术的入口导管消音器设计的也以“dB”表示的介入损耗标图62。为了帮助实现介入损耗标图60，公开的设计中的两个消音器之间的壁被隔离。在图6B中显示图6A中的两个标图60和62之间的差别(或差异)标图64。可从图6A和6B中看出，标图60和62之间的差异在频率增大时减小。
另外，公开的入口导管消音器中产生的压降小于现有技术的入口导管消音器设计中产生的压降，因为消音器的总长度减小。燃气涡轮的空气进口系统处的压降增大会影响涡轮的功率输出，因为燃气涡轮易于在通过涡轮的空气流量高时产生更好功率。压降定义为流体运送网络的两个点之间的压差。高流速和/或高流体粘度会导致压降增大，低速将导致压降减小或不产生压降。现有技术的入口导管消音器设计在穿过IBH管的中心的水平面处产生流线型流型，现有技术的入口导管消音器设计产生等于~0.75"水柱(WC)的压降。相比之下，公开的入口导管消音器中产生的压降使得具有背景流的IBH流较快速地扩散/混合，产生等于~0.71"WC的压降。
虽然已经关于目前认为最实际和优选的实施例来描述了本发明，但要理解的是，本发明不限于公开的实施例，而是相反，本发明意于覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效布置。

Claims (10)

1. 一种用于燃气涡轮的入口系统的消音器设备，所述入口系统包括入口抽气加热器，所述消音器设备包括：
沿着气体流方向设置在所述燃气涡轮入口管道中的主消音器，以及
也沿着所述气体流方向设置在所述燃气涡轮入口管道中的预消音器，
所述涡轮的入口抽气加热器位于所述主消音器和所述预消音器之间。
2. 根据权利要求1所述的消音器设备，其特征在于，所述主消音器包括第一多个声音吸收分流器，所述第一多个声音吸收分流器沿着所述气体流方向设置在所述燃气涡轮入口管道中，以及
其中，所述预消音器包括第二多个声音吸收分流器，所述第二多个声音吸收分流器也沿着所述气体流方向设置在所述燃气涡轮入口管道中。
3. 根据权利要求2所述的消音器设备，其特征在于，所述第一多个声音吸收分流器沿着所述气体流方向平行地设置在所述燃气涡轮进口管道中，并且所述第二多个声音吸收分流器沿着所述气体流方向平行地设置在所述燃气涡轮进口管道中。
4. 根据权利要求2所述的消音器设备，其特征在于，所述第一多个分流器在所述燃气涡轮进口管道中的气体流中位于所述第二多个分流器的上游，比所述第二多个分流器更接近所述涡轮的空气过滤间。
5. 根据权利要求2所述的消音器设备，其特征在于，所述第二多个分流器在所述气体流中位于所述第一多个分流器的下游，比所述第一多个分流器更接近将空气输入到所述涡轮的空气压缩机的入口。
6. 根据权利要求2所述的消音器设备，其特征在于，所述第一多个分流器中的各个具有第一预定尺寸，沿着所述燃气涡轮入口管道中的气体流方向测量所述第一预定尺寸，并且所述第二多个分流器中的各个具有第二预定尺寸，沿着所述燃气涡轮入口管道中的气体流方向测量所述第二预定尺寸，并且所述第二预定尺寸小于所述第一预定尺寸。
7. 根据权利要求2所述的消音器设备，其特征在于，所述第二多个分流器的前缘位于所述第一多个分流器的后缘后面的预定距离处，沿着所述燃气涡轮入口管道中的气体流方向测量所述预定距离。
8. 根据权利要求2所述的消音器设备，其特征在于，所述第一和第二多个分流器中的各个由钢框架制成，所述钢框架由多孔钢板覆盖，所述多孔钢板包含声音吸收材料。
9. 根据权利要求8所述的消音器设备，其特征在于，所述声音吸收材料是矿物棉。
10. 根据权利要求2所述的消音器设备，其特征在于，所述第二多个分流器相对于所述第一多个分流器定位，使得所述第一和第二多个分流器沿着所述燃气涡轮入口管道中的气体流方向彼此交错。
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