CN107061012A - 用于燃气涡轮机的赫尔姆霍茨阻尼器以及具有这种赫尔姆霍茨阻尼器的燃气涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于燃气涡轮机的赫尔姆霍茨阻尼器(HD3)，包括静态共振器容积(17)，其可借助颈部(16)连接到所述燃气涡轮机的内部空间(15)以对在所述内部空间(15)中产生的压力脉动进行阻尼，且还包括用于改变所述静态共振器容积(17)的装置(18，25)以便使所述赫尔姆霍茨阻尼器(HD3)的共振与所述压力脉动匹配。通过包括至少一个第一元件(25)的所述容积改变装置实现简单且有效的自调节，第一元件(25)暴露于所述燃气涡轮机内的变化的温度(Tp)且经历变形，该变形取决于所述变化的温度(Tp)。

Description

用于燃气涡轮机的赫尔姆霍茨阻尼器以及具有这种赫尔姆霍 茨阻尼器的燃气涡轮机
背景技术
本发明涉及燃气涡轮机技术。其涉及根据权利要求1的前序部分的用于燃气涡轮机的赫尔姆霍茨(Helmholtz)阻尼器。
其还涉及具有这种赫尔姆霍茨阻尼器的燃气涡轮机。
现有技术
燃气涡轮机燃烧室中的预混火焰的稳定性取决于火焰温度。在非常高或非常低的火焰温度下，火焰可变得不稳定且在燃烧室中产生压力波动。该热声不稳定可造成燃气涡轮机的热气通道部件的损坏。在启动和部分负荷运行期间，预混火焰的脉动特性可相比于设计点改变。
声脉动是对整个燃烧室的机械完整性具有重要影响的关键参数。在图1中示出具有筒形燃烧室的工业燃气涡轮(GT)发动机的示例，且在图2中图示了在筒形燃烧室中的声脉动的测量频谱。图1的燃气涡轮机GT1在壳体10中具有转子11。转子11的一个区段包括压缩机12，而另一区段用作涡轮机13。在压缩机12和涡轮机13之间，布置有筒形类型、罐形类型或环形类型的燃烧室14以便产生用于驱动涡轮机13的热气。
在图2所示的声频谱中，其中曲线“a”与靠近燃烧器的测量点有关，且曲线“b”与靠近燃烧室出口的测量点有关，由于燃烧室振动超过根据经验或计算已知的允许阈值，因此出现特征共振峰值且它们可引起高周疲劳(HFC)。在工程实践中，使用赫尔姆霍茨共振器以抑制声脉动的共振峰值。
赫尔姆霍茨共振器类似于谐波吸收器，其被调节到所关注的共振频率fc，该共振频率fc已在燃烧室的脉动频谱中被测量或在燃烧室的设计过程中被预测。然后，将赫尔姆霍茨本征频率fH调节为燃烧室共振频率fc且由如下公式确定：
圆柱形矩形颈部(图3)的赫尔姆霍茨本征频率
且
气体中的声速，
其中
ρ意思是气体的质量密度，
γ表示绝热指数或比热比，其对于空气和二原子气体通常等于1.4，
P0，V0分别是赫尔姆霍茨腔中的静态压力及其容积，
A是颈部(参见图3中的16)的横截面积，
Leq定义了颈部16在燃烧室腔(图3中的15)和赫尔姆霍茨腔(图3中的17)之间的等效长度，对于两端开口的管道其通常被确定为物理长度L0和0.6D之和，其中D是颈部16的水力直径。对于圆形横截面，水力直径D等于管道的直径d1。
由于赫尔姆霍茨共振器(图3中的HD1)的本征频率fH几乎等于燃烧室共振频率fc，所以共振峰值被抑制在允许的脉动阈值之下(从曲线“c”(不具有赫尔姆霍茨阻尼器)转变为曲线“d”(具有赫尔姆霍茨阻尼器)，参见图4)。阻尼机制是通过由于直接与d1和(d1)2成比例的粘滞损失和喷射损失带来的损耗效应实现的，其中d1表示颈部直径。的确，赫尔姆霍茨共振器是窄带频率阻尼器且在赫尔姆霍茨共振频率fH的狭窄范围±ΔfH内有效地工作。活塞调节系统可设置在赫尔姆霍茨共振器中，其通过活塞(图3中的18)的稍微移动ΔLH、从而改变静态共振器容积17的长度LH，而允许fH到fc的精细频率调节。
通常，热声共振频率fc取决于很多物理参数，如气体密度ρ、声速v、气体压力P0、以及由下式给出的体积模量B，
(3) B＝ρv2。
这些参数根据燃烧室腔15内的温度T改变。为证明频率相对于温度T的敏感性，将筒形燃烧室腔表示为密闭的压力缸且将其三个最低的共振频率fc针对空气根据下面的近似值确定，
其中h和r分别是压力缸的高度和半径。对于900和1160℃之间的温度范围，频率变化被示出在图5中。对于1160K的温度变化，其11Hz、22Hz和33Hz的敏感性随着燃烧室的振型的更高数目i成比例地增加。多数赫尔姆霍茨阻尼器(HDs)仅针对基本负荷运行调谐且不具有可移动的部分。
在GT发动机的实践中，气体燃料性质可显著地变化。另外，环境温度影响GT运行。所有这些情况影响燃烧过程和燃烧温度以及围绕赫尔姆霍茨共振器的燃烧室的气室中的压缩空气的温度Tp。
如图6的燃气涡轮机GT2所示，其具有压缩机20，燃烧室22，涡轮机23，气流19和废气24，赫尔姆霍茨阻尼器HD2被安装在燃烧室22的壁中且被由压缩机20从气流19中产生的压缩空气Tp所冷却。燃烧器21中的火焰温度，Tf，取决于空气温度Tp，但也取决于燃烧器类型和燃料类型。燃烧室22中的热气温度T热气取决于燃烧室设计(例如，燃烧室的冷却)。
赫尔姆霍茨共振器(图6中的HD2)以其被来自燃气涡轮压缩机气室(压缩机20)的压缩空气冷却的方式安装在燃烧室壁中。燃烧室22中的脉动由燃烧室22中的条件驱动，所述条件取决于燃烧室腔室中的温度T热气以及燃烧器21中的火焰温度Tf，如图6所示。在气室中的压缩空气的温度，Tp，以及燃烧室22中的热气温度T热气(参见图7)从部分负荷到基本负荷增加，如图8所示。
在现今的赫尔姆霍茨共振器中，其频率必须根据运行条件和燃料手动调节。这种手动调节必须针对燃烧室中的每个赫尔姆霍茨共振器重复。通常燃烧室可包括多个不同的针对各种所关注的燃烧室共振而设计的赫尔姆霍茨共振器。
赫尔姆霍茨阻尼器或共振器的各种概念在过去已被提出。
文件US 7,757,808B1公开了用于具有噪声产生子系统的装置的噪声减少系统，包括赫尔姆霍茨共振器和控制器。赫尔姆霍茨共振器被设置为与噪声产生子系统流体连通，且包括响应于控制信号的活性材料，该活性材料以调节赫尔姆霍茨共振器的尺寸特征的方式影响赫尔姆霍茨共振器的共振特征。控制器响应于装置或噪声产生子系统的运行特征以产生控制信号。响应于运行特征，控制信号用于以影响赫尔姆霍茨共振器的共振特征的方式减少由噪声产生子系统产生的噪声，或产生期望的音质改变。
文件US 8,689,933B2提供了一种共振器，具有自适应的共振器频率，用于吸收由燃气涡轮机的气流产生的声音。共振器包括颈部区段、腔室和可变形元件，该可变形元件在气流的燃气涡轮机温度的改变的影响下可变形。将可变形元件的形状相对于各个燃气涡轮机温度预先确定。颈部区段和腔室形成共振器的容积。颈部区段形成将该容积与燃气涡轮机耦合的通道。可变形元件以可变形元件的形状取决于各个燃气涡轮机温度的方式热耦合到燃气涡轮机。可变形元件形成螺旋形且以颈部区段的有效直径取决于燃气涡轮机温度的方式安装到颈部区段。
文件US 8,408,358B1公开了采用形状记忆材料的可调谐穿孔声衬垫，形状记忆材料允许声衬垫调谐以用于跨宽范围的多种频率，不同于限定为具体频率或小范围的现有设计。衬垫将通过传感器和反馈回路起动，以监测当前的声环境，并起动更有效地减弱发动机噪声所需的几何变化。
文件EP 2 725 300A1涉及用于减少在燃气涡轮机内产生的燃烧室腔室脉动的阻尼器装置，其中燃气涡轮机基本上包括至少一个压缩机，连接在压缩机下游的主燃烧室，且主燃烧室的热气被至少接收到中间涡轮机或者直接或间接地到第二燃烧室。第二燃烧室的热气被接收到另外的涡轮机或者直接或间接地到能源回收，其中至少一个燃烧室被设置为罐结构。至少一个燃烧室衬垫包括空气通道，其中至少一个空气通道形成为阻尼器颈部。阻尼器颈部主动连接到阻尼器容积，且阻尼器容积是在压缩机空气气室和燃烧室之间延伸的连接导管的一部分。
根据文件DE 100 06 231A1，致动器具有适用于高温的形状记忆合金或SMA(形状记忆合金)元件，其根据废气温度发挥设置或控制功能。SMA元件可直接或间接地暴露于来自内燃机的废气，且可以是可线性扩展的棒状元件或螺旋元件。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有自调节机构的赫尔姆霍茨阻尼器，该自调节机构实质上改变阻尼器容积且由发动机的运行温度触发，以用于燃气涡轮机联合循环电站或其它热机的更多操作灵活性。
本发明的另一个目的是提供一种具有这种赫尔姆霍茨阻尼器的燃气涡轮机。
这些目的由根据权利要求1的赫尔姆霍茨阻尼器和根据权利要求6的燃气涡轮机实现。
用于燃气涡轮机的根据本发明的赫尔姆霍茨阻尼器包括静态共振器容积，其可借助颈部连接到所述燃气涡轮机的内部空间以对在所述内部空间中产生的压力脉动进行阻尼，且还包括用于改变所述静态共振器容积的装置，以便使所述赫尔姆霍茨阻尼器的共振与所述压力脉动匹配。
其特征在于，所述容积改变装置包括至少一个第一元件，其暴露于所述燃气涡轮机内的变化的温度且经历变形，该变形取决于所述变化的温度。
虽然文件US 8,689,933B2教导了一种改变装置，其改变颈部的几何形状而这仅是共振器容积非常小的部分，本发明改变和控制共振器容积的主要部分，使得压力脉动频率的适应范围大得多。
根据本发明的实施例，所述至少一个第一元件由双金属和/或形状记忆合金(SMA)制成。双金属提供随温度的变形的近似线性改变，而形状记忆合金提供或多或少的开关特征。在组合两种材料并仔细地选择所包含的金属时，可调整容积与温度的曲线以适应于需求。
所述至少一个第一元件可以是限定所述静态共振器容积的壁，使得当所述至少一个第一元件经历变形时，所述静态共振器容积改变。当壁在其边缘处固定时，其可从平面状态变形为凹入或凸出状态，从而改变相邻容积。
替代性地，所述至少一个第一元件可作用在限定所述静态共振器容积的可移动的第二元件上，使得当所述至少一个第一元件经历变形时，所述静态共振器容积改变。通常，所述第一元件可压在静态共振器容积的壁上，其如薄膜等那样是柔性的，以便改变容积。
尤其，所述可移动的第二元件可以是活塞，且所述至少一个第一元件可以是作用在所述活塞上的弹簧。
根据本发明的燃气涡轮机包括压缩机、燃烧室和涡轮机。其特征在于，至少一个根据本发明的赫尔姆霍茨阻尼器被设置在所述燃气涡轮机中。
根据本发明的实施例，所述至少一个赫尔姆霍茨阻尼器暴露于来自所述压缩机的压缩空气的变化的温度。在该情况下，赫尔姆霍茨阻尼器通常被设置为其主体在燃气涡轮机的气室中，该气室将从压缩机排出的压缩空气引导至燃烧室和燃气涡轮机内的各个冷却设备。
尤其，所述燃烧室可具有燃烧室腔，且所述至少一个赫尔姆霍茨阻尼器可借助其颈部连接到所述燃烧室腔。这样，在燃烧室中产生的压力脉动可在振幅上有效地减少到非临界水平。
替代性地，所述燃气涡轮机可具有用于使废气离开所述涡轮机的出口，且所述至少一个赫尔姆霍茨阻尼器可借助其颈部连接到所述出口。这样，涡轮机下游的压力脉动可在振幅上有效地减少。
清楚的是，根据本发明的多个赫尔姆霍茨阻尼器可被安装在燃气涡轮机内的各种位置处以减少或抑制发动机热气部分中的脉动。这些赫尔姆霍茨阻尼器可以是相同的或可以根据各个需求在构造和容积上变化。在任何情况下，它们的(主)静态共振器容积由根据本发明的双金属和/或形状记忆合金元件自动控制。
附图说明
现借助不同实施例并参考附图更透彻地解释本发明。
图1示出了装备有筒形类型的燃烧室的工业GT发动机的透视图；
图2示出了在靠近燃烧器(曲线“a”)和靠近燃烧室出口(曲线“b”)的两个测量点处的实验的声脉动频谱；
图3示出了具有活塞系统的赫尔姆霍茨共振器的示意图，该活塞系统用于相对于可变的燃烧室共振频率fc通过轴向位移ΔLH来调节本征频率fH；
图4示出了在不具有(曲线“c”)赫尔姆霍茨共振器和具有(曲线“d”)赫尔姆霍茨共振器的情况下的压力振幅的频率相关性中的声共振(峰值)；
图5示出了根据圆柱形腔中的温度T的声共振的频率敏感性；
图6示出了赫尔姆霍茨阻尼器在燃气涡轮机的燃烧室中的布置的草图，其中Tp和Tf分别表示气室温度和火焰温度；
图7示出了赫尔姆霍茨阻尼器的草图，其中示出了燃烧室中的压缩空气和热气的特征温度Tp(T压缩空气)和T热气；
图8示出了相对于燃气涡轮机(GT)中的发动机负荷的、燃烧室中的压缩空气的温度特征Tp和热气的温度特征T热气；
图9示出了相对于温度T的由双金属(虚线曲线“f”)和形状记忆合金(曲线“e”)制成的系统的变形，其中TR表示处于部分负荷的参考压缩空气温度，Tb是处于GT发动机的基本负荷的压缩空气温度，以及PLO表示部分负荷运行的温度范围；
图10示出了本申请将双金属元件作为壁以用于根据在部分负荷T部分和基本负荷Tb之间变化的温度T来调节赫尔姆霍茨容积V0的示例，其中PLO表示部分负荷运行的温度范围；
图11示出了具有由形状记忆合金制成的螺旋弹簧的根据本发明实施例的赫尔姆霍茨阻尼器；
图12示出了根据本发明的另一实施例的赫尔姆霍茨阻尼器，其中赫尔姆霍茨阻尼器的一侧壁由双金属制成，(a)是在非变形状态下且(b)是变形状态下；以及
图13示出了具有根据本发明的赫尔姆霍茨共振器的GT排气系统，该赫尔姆霍茨共振器由双金属或/和形状记忆合金制成，具有根据废气温度T涡轮机后的自调节阻尼特征。
具体实施方式
根据本发明，赫尔姆霍茨共振器或赫尔姆霍茨阻尼器包括由双金属和/或形状记忆合金制成的子部分。取决于在部分负荷或基本负荷下的压缩空气的温度Tp，这些材料由于热膨胀而改变它们的变形。它们的特性被显示在图9中。双金属系统的变形是根据温度T的线性函数(虚线曲线“f”)。形状记忆合金展示为具有典型的伪弹塑性迟滞的变形的“二元性”或开关特性种类，如图9中的实线曲线“e”所示。
在持续调节赫尔姆霍茨参数的情况下，双金属系统被应用于共振器(线性曲线“f”)。对于可变环境条件，例如，在晚上和白天之间，赫尔姆霍茨共振器随着根据T部分和Tb变化的周围温度Tp调节自身，如图10所示。
由双金属系统和/或形状记忆合金与普通金属结合制成的不同设计可被用在本发明的范围内。另外，所有已知的或新开发的不同形状和固定的双金属或/和形状记忆合金可被使用。所提出的双金属系统由市场可获得的或能够根据特定设计理由开发出的任意的金属制成。赫尔姆霍茨阻尼器设计中的形状记忆合金或/和双金属的可能应用被展示在图11和图12中。
在图11中，赫尔姆霍茨阻尼器HD3包括静态共振器容积17，其通过固定长度L0和固定直径的颈部16连接到燃气涡轮机的燃烧室腔15。静态共振器容积17由具有轴向可移动的活塞18的活塞压力缸结构限定。随着活塞18移动，静态共振器容积17的轴向长度LH可改变±ΔLH。活塞18与由形状记忆合金(SMA)制成的一个弹簧或多个弹簧25联接。弹簧25暴露于围绕赫尔姆霍茨阻尼器HD2的气室中的压缩空气的温度。当该温度改变时，弹簧25改变其长度由此改变静态共振器容积17。
使用双金属元件的本发明的另一实施例在图12中示出。双金属的壁27借助机械固定件26将其边缘固定到普通金属28。在图12(a)中，由于周围温度是处于部分负荷的压缩空气温度T部分，所以双金属的壁27没有变形。在图12(b)中，壁27在处于基本负荷的压缩空气温度Tb下，该温度Tb导致减少静态共振器容积17的大体上的(凹入)变形。
描述的现象可用于应用在需要抑制噪声或/和声脉动的其他发动机上的不同赫尔姆霍茨共振器。
温度范围可然后根据所关注的发动机的设计点来确定且自调节赫尔姆霍茨共振器在限定的非设计点内运行。
本发明的另一个应用可以是，将赫尔姆霍茨阻尼器(图13中的HD5)设置在燃气涡轮机GT3的排气导管29中以便对燃气涡轮机的废气中的脉动进行阻尼(图13)。借助在部分负荷和基本负荷之间的改变的废气温度，赫尔姆霍茨共振器HD5调节自身到不同频率。
本发明用基于气室和燃烧室中的温度的被动自调节机构整体替换了系统的手动调节。
该创新可延伸到GTCC的其它子系统，如排气系统。
附图标记列表
10 壳体
11 转子
12 压缩机
13 涡轮机
14 燃烧室(筒形)
15 燃烧室腔
16 颈部
17 静态共振器容积
18 活塞
19 气流
20 压缩机
21 燃烧器
22 燃烧室
23 涡轮机
24 废气
25 弹簧
26 固定件(机械的)
27 双金属的壁
28 普通金属
29 排气导管
A 截面面积(颈部)
a-g 曲线
GT1-GT3 燃气涡轮机
HD1-HD4 赫尔姆霍茨阻尼器(共振器)
L0 长度(颈部)
LH 长度(赫尔姆霍茨腔)
ΔLH 轴向位移(活塞)
Tp 压缩空气的温度
TR 环境空气温度
Tb 处于基本负荷的压缩空气温度
T热气 燃烧室中的热气的温度
T压缩空气 压缩空气的温度
Tf 火焰温度
T涡轮机后 废气的温度
T部分 处于部分负荷的压缩空气温度

Claims (9)

1.一种用于燃气涡轮机(GT1-GT3)的赫尔姆霍茨阻尼器(HD3-HD5)，包括静态共振器容积(17)，其可借助颈部(16)连接到所述燃气涡轮机(GT1-GT3)的内部空间(15，29)以对在所述内部空间(15，29)中产生的压力脉动进行阻尼，且还包括用于改变所述静态共振器容积(17)的装置(18，25；27)以便使所述赫尔姆霍茨阻尼器(HD3-HD5)的共振与所述压力脉动匹配，其特征在于，所述容积改变装置包括至少一个第一元件(25，27)，其暴露于所述燃气涡轮机(GT1-GT3)内的变化的温度(Tp)且经历变形，该变形取决于所述变化的温度(Tp)。
2.如权利要求1所述的赫尔姆霍茨阻尼器，其特征在于，所述至少一个第一元件(25，27)由双金属和/或形状记忆合金(SMA)制成。
3.如权利要求2所述的赫尔姆霍茨阻尼器，其特征在于，所述至少一个第一元件(27)是限定所述静态共振器容积(17)的壁，使得当所述至少一个第一元件(27)经历变形时，所述静态共振器容积(17)改变。
4.如权利要求2所述的赫尔姆霍茨阻尼器，其特征在于，所述至少一个第一元件(25)作用在限定所述静态共振器容积(17)的可移动的第二元件(18)上，使得当所述至少一个第一元件(27)经历变形时，所述静态共振器容积(17)改变。
5.如权利要求4所述的赫尔姆霍茨阻尼器，其特征在于，所述可移动的第二元件是活塞(18)，且所述至少一个第一元件(25)是作用在所述活塞(18)上的弹簧(25)。
6.一种包括压缩机(12，20)、燃烧室(14，22)和涡轮机(13，23)的燃气涡轮机(GT1-GT3)，其特征在于，在所述燃气涡轮机(GT1-GT3)中设置有至少一个根据权利要求1到5中任一项的赫尔姆霍茨阻尼器(HD3-HD5)。
7.如权利要求6所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述至少一个赫尔姆霍茨阻尼器(HD3-HD5)暴露于来自所述压缩机(12，20)的压缩空气的变化的温度(Tp)。
8.如权利要求6所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述燃烧室(14，22)具有燃烧室腔(15)，且所述至少一个赫尔姆霍茨阻尼器(HD3)借助其颈部(16)连接到所述燃烧室腔(15)。
9.如权利要求6所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述燃气涡轮机(GT3)具有用于离开所述涡轮机(23)的废气的排气导管(29)，且所述至少一个赫尔姆霍茨阻尼器(HD5)借助其颈部(16)连接到所述排气导管(29)。
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