CN1320314C - 燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃气轮机(51)，其具有一汇入到一燃烧室(55)内的燃烧器(1)，其中，燃烧器口环形地被一亥姆霍兹谐振器(19)围绕。由此，由于与火焰密切接触而有效地抑制燃烧振荡，与此同时避免温度的不均匀性。

Description

燃气轮机

本发明涉及一种燃气轮机，其带有一个通入到燃烧室中的燃烧器。尤其是，燃烧室设计为环形燃烧室。

在燃烧系统中，如在燃气轮机、航空发动机、火箭发动机和采暖设备中，可能导致热声诱发的燃烧振荡。燃烧振荡通过燃烧火焰和与之相关的释热与声压波动相互作用形成。由于声激励，火焰的位置、火焰端面或混合物成分可能波动，从而又导致释热的波动。在结构的相位中这会导致正反馈和增强。如此增强的燃烧振荡会导致严重的噪音污染和振动损坏。

燃烧室的声学特性以及在燃烧室进口、燃烧室出口和燃烧室壁上存在的边界条件，对这些热声诱发的不稳定性有重大的影响。声学特性可通过安装亥姆霍兹谐振器来改变。

WO 93/10401A1公开了一种用于抑制燃气轮机燃烧室内的燃烧振荡的装置。一亥姆霍兹谐振器与一燃料输入管在流动技术上连接起来。由此这样改变输入管及声学总系统的声学特性，使得抑制燃烧振荡。当然业已证明，这一措施不是对所有的工作状态都够用，因为即使抑制了燃料管内的振动，仍可能引起燃烧振荡。

为避免燃烧振荡，US-A-6058709建议，燃料在不同的轴向位置引入燃烧器的燃烧通道内。因此，有关于燃烧振荡的形成，结构性相位通过破坏叠加在混合气成分内，从而总体上导致较小的波动，并因而导致一种降低形成燃烧振荡的倾向。当然，该措施与使用亥姆霍兹谐振器那种纯粹主动性的措施相比、在设备方面比较复杂。

在EP 0597138A1中介绍了一种燃气轮机燃烧室，该燃烧室在燃烧器的区域内具有空气冲刷的亥姆霍兹谐振器。这些谐振器交替地设在燃烧器之间的燃烧室的端面上。通过这些谐振器，吸收在燃烧室内产生的燃烧振荡的振动能量，由此抑制燃烧振荡。

在EP 1004823A2中公开了另一种抑制燃烧振荡的措施。在那里，一个亥姆霍兹谐振器直接与燃烧器的混合区连接。谐振器应安置在燃料输送装置的上游，因为通过谐振器应吸收在燃烧器内形成的并也通过输入管引起的燃烧振荡。

在US 5644918中公开了一种燃烧室，它具有一个形式上为圆柱形双重套筒构成的谐振器，该谐振器同心地设在燃烧室壳体与燃烧室衬里之间。此双重套筒主要由一环形法兰和燃烧室壳体的内表面构成。

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有特别低的形成燃烧振荡可能性的燃气轮机，与此同时应避免在燃烧室壁上采取结构性措施。

上述技术问题通过一种包括一燃烧室和一在燃烧器口汇入到该燃烧室中的燃烧器的燃气轮机得以解决，其中，燃烧器口环形地被一亥姆霍兹谐振器围绕。并且，所述亥姆霍兹谐振器集成组合在一燃烧器附件内，在这里，所述燃烧器通过该燃烧器附件与所述燃烧室连接。

因此首次建议，围绕所述燃烧器口布置一个亥姆霍兹谐振器。按照本发明的思想，若谐振器不均匀地作用于燃烧区，则借助谐振器抑制燃烧振荡可能导致局部温度差。通过围绕燃烧火焰对称、环形地布置，可避免产生这种情况。由此造成的温度均匀化提高了抑制效果，并与此同时导致减少生成氮氧化物。此外，通过直接围绕火焰布置谐振器，可以强烈地直接作用在释热最大的地点。与燃烧振荡主源的这种改善的接触还提高了谐振器的效用。

优选地，所述亥姆霍兹谐振器具有一谐振器容积以及在一谐振器口汇入到燃烧室中，其中，谐振器口通过一种小管延续到谐振器容积内。另外，所述谐振器口优选由一些通过一种小管延续到谐振器容积内的孔构成。也就是说，这些小管伸入到谐振器容积内。采用这种设计可以将谐振器的结构尺寸保持得较小。通常一个谐振器由一个容积V和一些具有规定长度I和横截面A的孔组成。这些形状尺寸与音速C一起按简化公式 $f_{\mathrm{res}}=(C/\left(2\mathrm{\π}\right))*\sqrt{[A/(V*I)]}$ 确定谐振频率。为了克服低的频率，相应地需要一很大的容积。实际上由于可提供使用的空间位置很小，所以满足这一要求显然意味着有很大的困难。现在，在这里所介绍的设备大大增加了孔的长度。通过将孔设计为伸入容积内的小管而达到这一点。在这里几乎没有改变谐振器的内部容积。因此谐振器的外部尺寸可以保持较小。其中，小管设计为扭曲状，以便离器壁有足够的距离。通过改变小管的长度，所述减振装置可以调整到在燃烧系统中产生的任一频率上。在这种情况下，谐振器的外尺寸不必改变以及因而燃烧器附件的外尺寸和打开的总横截面面积都不必改变。主要优点是：为了抑制低的频率，借助伸入的小管可以避免增大谐振器的容积。

所述小管优选地成形为弯曲的或扭曲的，从而在不超出一相对于谐振器壁的最小距离的情况下增大小管的长度。

优选地，所述谐振器容积可以例如通过活塞式地移动一谐振器壁来调整。由此可以匹配和调整声特性，尤其阻抗(Impedanz)。

在优选的扩展设计中，燃烧室设计为环形燃烧室。正是在环形燃烧室中，燃烧振荡可由于比较大的燃烧室容积和在其中互相连接的燃烧器，导致干扰和破坏性很强的燃烧振荡。此外，这种燃烧室的声学特性几乎无法计算。

按照本发明，将所述亥姆霍兹谐振器集成组合在燃烧器附件内，其中，燃烧器通过该燃烧器附件与燃烧室连接。燃烧器附件可以是一个特有的、例如用螺钉与燃烧室壁连接的以及随后将真正的燃烧器装入其中的构件。但是燃烧器附件也可以与燃烧器连接，使得例如燃烧器附件构成该燃烧器上的一个法兰，燃烧器通过该法兰与燃烧室壁连接。通过将谐振器集成组合在燃烧器附件内，在燃烧室壁上不需要采取结构性措施，以及谐振器可以在需要时方便地拆卸。

所述亥姆霍兹谐振器优选地设计为可流过空气。由此可以以简单的方式改变和调整谐振器的阻抗。此外，实施谐振器的冷却和在谐振器集成组合在燃烧器附件内的情况下也可实现整个燃烧器附件的冷却。

下面借助附图示范性地并且部分示意性地说明本发明。附图中：

图1表示一燃气轮机；以及

图2表示一安装在一燃烧室壁上的燃烧器。

在不同的附图中相同的附图标记具有同样的含义。

图1表示一台燃气轮机51。该燃气轮机51具有一压缩机53、一环形燃烧室55和一涡轮机部分57。空气58从外部环境引入压缩机53并在那里被高度地压缩为燃烧空气9。接着燃烧空气9被导向环形燃烧室5。燃烧空气在那里通过燃气轮机燃烧器1与燃料11共同燃烧成热燃气59。该热燃气59推动涡轮机部分57。

在环形燃烧室55内，由于上面早已详细说明的原因，可能导致形成会严重损害燃气轮机51运行的燃烧振荡。为了抑制这种燃烧振荡可以采用亥姆霍兹谐振器，下面说明一种特别有效的结构方式：

图2表示一燃气轮机燃烧器1，它通过一燃烧器附件2与燃烧室55的一燃烧室壁56连接，以及在一燃烧器口4处汇入到所述燃烧室55内。燃气轮机燃烧器1的一燃烧器通道3作为一环形通道30围绕着一个中央通道41。所述环形通道30设计为一预混合通道，燃料11和燃烧空气9在燃烧前在其中充分混合。这称为预混合式燃烧。燃料11通过设计为空心的旋流叶片13导入到环形通道30内。中央通道41与一中央燃料喷管45一起通入到燃烧区27中，该中央燃料喷管将燃料11、尤其是油经一涡流式喷嘴47输入。在这种情况下，燃料11和燃烧空气9在燃烧区27内才混合以及人们称之为扩散燃烧。但在中央通道41内还可以在燃烧区27的上游，通过一燃料进口43供给燃料11，尤其天然气。

在燃烧器附件2内集成组合一个亥姆霍兹谐振器19，该谐振器具有一个谐振器容积23以及通过由一些孔组成的谐振器出口21通向燃烧室55内。在每个孔上连接一根伸入到谐振器容积23内的小管61，它成形为扭曲的。所述亥姆霍兹谐振器19环形地围绕燃烧器口4。

燃烧器口4被谐振器19环形地围绕，导致对燃烧区27的一种均匀的作用。由此不会因谐振器19引起温度的不均匀性。此外，谐振器19非常有效地直接作用在释热最大的区域上。

小管61允许谐振器19有比较小的结构尺寸，所以谐振器可以集成组合在燃烧器附件2内。空气经空气进口63导入到谐振器19内，由此谐振器一方面可调整其阻抗，另一方面还可以冷却。

Claims (9)

1.一种燃气轮机(51)，其包括一燃烧室(55)和一燃烧器(1)，所述燃烧器在一燃烧器口(4)处汇入到该燃烧室(55)内，其中，所述燃烧器口(4)环形地被一亥姆霍兹谐振器(19)围绕，其特征为：所述亥姆霍兹谐振器(19)集成组合在一燃烧器附件(2)内，在这里，所述燃烧器(1)通过该燃烧器附件(2)与所述燃烧室(55)连接。

2.按照权利要求1所述的燃气轮机，其特征为：所述亥姆霍兹谐振器(19)具有一谐振器容积(23)，以及在一谐振器口(21)处汇入到所述燃烧室(55)中，在这里，所述谐振器口(21)通过小管(61)延续到所述谐振器容积(23)内。

3.按照权利要求2所述的燃气轮机(51)，其特征为：所述小管(61)成形为弯曲的或扭曲的。

4.按照权利要求1、2或3所述的燃气轮机(51)，其特征为：所述谐振器容积(23)是可调整的。

5.按照权利要求1至3中任一项所述的燃气轮机(51)，其特征为：所述燃烧室(55)设计为环形燃烧室。

6.按照权利要求1至3中任一项所述的燃气轮机(51)，其特征为：所述燃烧器附件(2)是一个其中装入有所述燃烧器(1)的特定构件。

7.按照权利要求6所述的燃气轮机(51)，其特征为：所述燃烧器附件(2)用螺钉与一燃烧室壁(56)连接。

8.按照权利要求1至3中任一项所述的燃气轮机(51)，其特征为：所述燃烧器附件(2)构成所述燃烧器(1)上的一个法兰。

9.按照权利要求1至3中任一项所述的燃气轮机(51)，其特征为：所述亥姆霍兹谐振器(19)设计为可流过空气。

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