CN1250906C - 减小燃气轮机装置中的燃烧室脉动的减振装置 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种减振装置，该减振装置用于减小燃烧室(1)内的共振，燃烧室(1)具有成双壁结构的燃烧室壁(2)并且以一外壁面部分(22)和一面向该燃烧室(1)的内壁面部分(21)气密地包围出一个中间室(3)，为了对流冷却燃烧室壁(2)，冷空气可以被供应至中间室(3)内。本发明的特点是，设有至少一个第三壁面部分(4)，它与外壁面部分(22)一起封闭出一个气密的空间(5)，该气密的空间(5)通过至少一个连接管路(6)与该燃烧室(1)气密连接。

Description

减小燃气轮机装置中的燃烧室脉动的减振装置
技术领域
本发明涉及减小燃烧室中的共振的减振装置，该燃烧室具有双壁式燃烧室壁，它以一个外壁面部分和一个面对燃烧室的内壁面部分气密地包围出一个中间室，为了对流冷却燃烧室壁，冷空气可以被输送到中间室中。
背景技术
从EP 0669500B1中公开了一种具有如上所述地成双璧壁形式的室壁的燃烧室。为了冷却，使经过压缩的燃烧进气流过包围燃烧区的双璧壁状燃烧室壁的封闭的中间室，其中双壁状燃烧室壁以对流冷却方式被冷却。有关这样的燃烧室的结构的详细细节可以从上述欧洲专利文献中得知，在这里参见该文献的公开内容。
如此构成的燃烧室主要用于燃气轮机运转，但它一般也用在发热设备中，如用于锅炉加热。
在一定的工作条件下，在燃烧室中出现了成热声振动形式的噪音，这种噪音在20Hz-400Hz的频段内表现为非常明显的共振现象。这种也被称作燃烧室脉动的振动可以有振幅及相关的压力波动，由此一来，燃烧室本身经受很高的机械负荷，这会严重地缩短燃烧室寿命，在最糟糕的情况下，这甚至可能导致燃烧室损坏。
因为这种燃烧室脉动的形成取决于许多边界条件，所以很难或无法预先精确确定这种脉动的出现。就是说，在燃烧室工作期间内，如果共振过高，则要相应地做出反应，例如其做法就是有意避开会出现脉动振幅的燃烧室工作点。但不是总能采取这一措施的，尤其是当如起动燃气轮机装置时，必须经过许多特殊工作状态才能够达到一个相应的对燃气轮机最佳的额定工作区。
另一方面，公开了用于明确减缓这样的共振的燃烧室脉动的设备技术方面的措施，例如这是在使用适当的声音阻尼元件如赫尔姆霍茨阻尼器或λ/4管来实现的。这类声音阻尼件通常包括一个瓶颈和一与瓶颈相连的较大空间，该空间总是匹配于待阻尼的频率。尤其是在明确阻尼低频时，需要大的阻尼空间，这种阻尼空间从设计观点出发不能被集成到每个燃烧室内。
也公开了被有效用于明确抑制燃烧室脉动的对策，通过这种对策，如反声场被耦合到该燃烧室中以便明确抑制或消除共振压力波动。
所有的用于明确减少出现在燃烧室中的燃烧室脉动的上述措施都分头匹配于个别的燃烧室的相应情况并且不能轻易地用于其它类型的燃烧室。
上述在双壁状燃烧室壁内进行对流冷却的燃烧室就低有害物排放燃烧而言是最佳的。另外，借助这种燃烧室并且在使用较高比例的空气的情况下，可以实现非常稀薄的燃烧。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供新颖的减振方法，可通过该方法有效减小形成在上述类型燃烧室内的燃烧室脉动，而同时不会永久损害燃烧室的最佳燃烧性能。本发明尤其要找到这样的减振措施，即其结构要求尽可能少，以便可以节省空间地将它集成到上述类型的燃烧室内。尤其是，这提供了将燃烧室集成到只有有限空间的系统内的可能性。
在权利要求1中表明了实现本发明目的的解决方案。有利改进本发明主题的特征可从从属权利要求的主题和参照附图的描述中得到。
根据本发明，减小燃烧室内的共振的减振装置具有成双壁形式的燃烧室壁并且以一外壁面部分和一内壁面部分气密封闭出一中间室，为了对流冷却该燃烧室壁，冷空气可被供应至该中间室内，其中设有至少一个第三壁面部分，它与外壁面部分一起封闭出一个气密的空间，该气密的空间通过至少一条连接管路与该燃烧室气密连接。
该第三壁面部分至少局部或分段地补充本来就成双壁形式的燃烧室壁，而形成一个三层壁结构，其中通过双壁状燃烧室壁的外壁面部分和第三壁面部分而气密包围出的空间作为共振空间或吸收空间，即该空间的尺寸和形状是这样设计的，即通过在该共振或吸收空间(以下只称为吸收空间)与该燃烧室之间的、成连接管形式的连接管路，产生了吸收空间与燃烧室的声效耦合，从而可以有效地阻尼在该燃烧内形成的有某个频率的燃烧室脉动。一定的尺寸形状的选择也适用于连接管本身，它必须具有一定的长度和横断面来阻尼预期的频率。
为了使由第三壁面部分限定出的吸收空间与燃烧室传声耦合，成连接管形式的连接管路在局部上穿过双壁燃烧室的有冷空气流过的中间室，同时，它通过周围冷空气的流动被有效冷却。这样做的优点是，不必为了冷却而单独地让空气流过连接管。也可以消除通过该连接管从燃烧室侧对吸收空间进行加热或过度加热，尤其是因为它如上所述地接受有效冷却。如果围绕连接管流动的冷空气对连接管的冷却作用不充分，明确地让冷空气流过连接管可用于缺失的冷却作用。这种辅助冷却或是由来自中间室的冷空气来完成，和/或在燃烧室外例如由强制通风系统通过在第三壁面部分内的一开口来完成。但这种通过连接管定向的冷气流应具有小于10m/s的流速。
在一个优选实施例中，沿具有双壁结构的燃烧室壁并最好在那些振动波腹形成在燃烧室内的位置上设置多个同相应的吸收空间连通的连接管。这些分别包括吸收空间和一连接管的减振装置的数量及其尺寸形状的空间设计主要根据在燃烧室内形成的燃烧室脉动(也被称作热声振动)的各自声音状况来定。原则上，待阻尼的共振频率f可以根据吸收空间A来如此算出：
f = c 0 2 · π · A V · ( L + 2 · ΔL )
其中c0为声速；
A为连接管的开口面积；
V为在冷侧的各管体积；
L为管孔长度；
ΔL为管口校正量。
然而，上面的公式只作为粗略标准，尤其是因为在燃烧室工作条件下不能精确得到管口校正量ΔL或声速c0。相反，待由吸收器确定的待阻尼的固有频率必须通过实验确定。沿燃烧室和燃烧室圆周方向的多个单独减振件的布置也必须单独协调。
简化这种写方法是一个优选实施例的目的。在此实施例中，在吸收空间内设有例如成柱塞形式的且可变地调节声效容积的调节机构，该调节机构可变化地缩小或增大声效容积。术语“声效容积”可以理解为该吸收空间可随意接近的连接管部分。如果成柱塞状的调节机构把该吸收空间分成两个空间区，即一个相对连接管在柱塞面之前的空间空间区和一个在后的空间区，则在柱塞面之后的空间部分无助于声音吸收或声音阻尼。
与此相关地有利的是，弹性地形成限定该吸收空间的第三壁面部分以便改善该减振装置的阻尼度。
双壁状燃烧室壁众所周知地由两个壁面部分组成，它们都可以通过铸造制成。为使这两个壁面部分精确间隔开，在内壁面部分上设有所谓的纵肋作为间隔件以及作为固定横板的固定肋，这两个壁面部分可由此在保持精确间距的同时彼此牢固连接。为避免进一步使该铸造方法复杂化并且甚至简化该铸造方法，沿一个反正要有的固定肋设置成连接管形式的连接管路，因而，在唯一一个铸造步骤中，可以与内壁面部分一起制造出作为一体构件的连接管和固定肋。此外，这一措施明显简化了具有可精确预定的壁面厚度的内壁面部分的铸造，由此也可以没有厚度偏差地实现具有预定恒定尺寸的大面积的壁面部分。
附图说明
以下，不限制本发明的总体构思地结合实施例并参照附图来举例描述本发明，其中：
图1以横截面图表示具有附加的共振吸收减振器的双壁状燃烧室壁；
图2a、2b、2c以横截面图表示多个并列布置的独立的吸收减振器单元的一个实施例；
图3示意表示具有柱塞结构的吸收空间，
图4示意表示沿燃烧室布置的吸收减振器单元。
具体实施方式
图1以横截面图表示一个减振装置，它用于减小在一个由双壁状燃烧室壁2包围出的燃烧室1内的共振，该燃烧室壁以一个外壁面部分22和一个内壁面部分21气密包围出一个中间室3，为了对流冷却燃烧室壁2且尤其是内壁面部分21，冷空气可被输入中间室3内。
在外壁面部分22的背对燃烧室1的那侧上设有一个第三壁面部分4，它与外壁面部分22一起包围出一个气密空间，即所谓的共振空间或吸收空间5。通过一个成连接管形状的连接管路6，吸收空间5与燃烧室1直接相连并且同时在燃烧室1与吸收空间5之间产生一个传声有效连接。为了从声音上有效阻尼在一定频率下出现在燃烧室1内的燃烧室脉动，必须单独调整连接管路6和吸收空间5的几何形状参数。
按照本身已知的方式，内、外壁面部分21和22是铸成的，其中，内壁面部分21具有纵肋7，它们起到间隔件作用并用于限定出在外壁面部分22与内壁面部分21之间的精确间距。此外，内壁面部分21通常具有比纵肋7更长的固定肋8，在装配情况下，固定肋8穿过一个在外壁面部分22内的相应开口9并且通过一道气密的焊缝10与壁面部分22牢固连接。被设置用于使吸收空间5与燃烧室1空间传声耦合的连接管路6有利地与固定肋8结合成一体，它与纵肋7一样与内壁面部分21连成一体并且可以通过唯一的铸造方法来制造。
图2a-图2c以局部视图表示根据本发明的减振装置的一个优选实施例。图2a是其上局部装有吸收空间5的燃烧室外壁面部分22的俯视图，每个吸收空间5分别由一个第三壁面部分4界定。
图2b表示沿图2a的AA剖面线的双壁状燃烧室壁2和第三壁面部分4的截面图，双壁状燃烧室壁2和第三壁面部分4都牢固且气密地连接在外壁面部分22上。此外，每个单独的吸收空间5都高过一条连接管路6，它在吸收空间5与燃烧室1之间建立起传声有效连接。
图2c表示沿图2b的BB剖面线的截面图，它表示燃烧室壁2的横断面。可以清晰地看到由第三壁面部分4界定的各吸收空间5，每个吸收空间5各自气密地突出超过一连接管路6。
当然，也可以只借助唯一一个第三壁面部分4来突出超过两个紧邻的连接管路6，因而，两个以上的连接管路6突入同一个吸收空间5内。可以根据声音条件的不同来选择这种方法。
在根据图3的一个优选实施例中，在吸收空间5内可以设有一个成柱塞状的调节机构11，以便使根据本发明地形成的减振装置的声音阻尼性能更简单地单独适应于分别出现的燃烧室脉动，借助调节机构11，声效容积5’可通过适当的线性运动(见双箭头所示)而无级变化。声效容积5’通过两个连接管路6与燃烧室1连接，这样，可以根据频率有选择地阻尼形成在该燃烧室1内的某些燃烧室脉动。
为增强减振性能，最好在双壁状燃烧室壁内沿燃烧室设置多个连接管路。该连接管路最好设置在燃烧室的那些形成振动波腹的位置上。在图4中，连接管路6为此在形成于燃烧室壁2内的相应连接管路6中设置在燃烧室纵轴线x上的这些点，即具有各自不同的频率f1、f2的燃烧室振动在这些点上具有最大振幅。根据声音阻尼能力的不同，一条或多条连接管路6可以合并在一个共用的吸收空间5内。
还如图4所示，对每个吸收空间来说只能有效地阻尼一个特定频率。为了阻尼两个不同的频率f1和f2，需要两个不同构造的吸收空间。这些分别阻尼一个频率的振动的吸收空间最好沿轴向前后布置在燃烧室外壳上。因此，分别用于阻尼不同频率的吸收空间分布在该燃烧室外壳的圆周方向上。
              附图标记一览表
1           燃烧室
2           双壁状燃烧室壁
21          内壁面部分
22          外壁面部分
3           冷气通道，中间室
4           第三壁面部分
5           气密空间，共振或吸收空间
5’                     声效容积
6           连接管路，连接管
7           纵肋
8           固定肋
9           开口
10          焊缝
11          调节机构
x           燃烧室的纵轴线
f1，f2      燃烧室振动频率

Claims (13)

1、一种用于减少燃烧室(1)内的共振的减振装置，所述燃烧室(1)具有一个成双壁形状的燃烧室壁(2)并且以一个外壁面部分(22)和一个面对该燃烧室(1)的内壁面部分(21)气密封闭出一个中间室(3)，为了对流冷却该燃烧室壁(2)，冷空气可被输入该中间室(3)内，其特征在于，设有至少一个第三壁面部分(4)，该第三壁面部分与该外壁面部分(22)一起封闭出一个气密的空间(5)，并且该气密的空间(5)通过至少一条连接管路(6)与该燃烧室(1)气密连接。
2、如权利要求1所述的减振装置，其特征在于，所述第三壁面部分(4)设置在该外壁面部分(22)的背对该燃烧室(1)的那侧上并且与该外壁面部分包围出该气密空间(5)。
3、如权利要求1或2所述的减振装置，其特征在于，该第三壁面部分(4)间接地通过至少一个间隔件或直接与该外壁面部分(22)连接。
4、如权利要求1所述的减振装置，其特征在于，所述双壁状燃烧室壁(2)具有用于精确间隔开和/或相对固定该内、外壁面部分(21，22)的纵肋(7)和/或固定肋(8)，并且所述连接管路(6)设置在该纵肋(7)和/或该固定肋(8)的位置上并与之构成一体。
5、如权利要求4所述的减振装置，其特征在于，所述的纵肋(7)和/或固定肋(8)与该内燃烧室壁(21)一体连接，所述内燃烧室壁(21)可通过铸造方法制成。
6、如权利要求1所述的减振装置，其特征在于，所述连接管路(6)被构造成连接管形式，它穿过该中间室(3)并且冷空气围绕它流动。
7、如权利要求1所述的减振装置，其特征在于，所述气密的空间(5)被设计成赫尔姆霍茨共振器的形式，其声效容积(5′)根据对在该燃烧室(1)内出现的、有一共振频率f的振动的声音阻尼来实现。
8、如权利要求7所述的减振装置，其特征在于，在该气密的空间(5)内设有一个可变地调节该声效容积的调节机构(11)。
9、如权利要求8所述的减振装置，其特征在于，所述调节机构(11)被构造成柱塞的形式，它可移动地布置在该气密的空间(5)内。
10、如权利要求1所述的减振装置，其特征在于，所述第三壁面部分(4)是弹性地构成的。
11、如权利要求7所述的减振装置，其特征在于，所述连接管路(6)相对该燃烧室(1)被布置在这样的位置上，即在该位置上，待阻尼的声音振动具有振动波腹。
12、如权利要求1所述的减振装置，其特征在于，所述燃烧室(1)被集成到一个发热设备或能量产生设备中。
13、如权利要求1所述的减振装置，其特征在于，所述燃烧室(1)是气轮机燃烧室。
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