Компоновка для уменьшения акустических колебаний в камере сгорания

Компоновка для уменьшения акустических колебаний в камере сгорания

Реферат

 

Устройство с камерой сгорания включает в себя камеру сгорания и комплект горелок, каждая из которых имеет выпускное отверстие в камеру сгорания. Каждая горелка включает в себя элементы для подачи потока кислородсодержащего газа в горелку, элементы для подачи топлива в горелку и пространство, которое продолжается в камеру сгорания вдоль продольного направления и выполнено с возможностью смешивания подаваемого топлива и подаваемого кислородсодержащего газа. Каждая горелка выполнена с возможностью передачи, по существу, в равной степени большого потока кислородсодержащего газа через горелку в камеру сгорания. Каждая горелка характеризуется, по меньшей мере, одним параметром, который включает в себя характеристическую длину (а) пространства вдоль продольного направления, и характеристическая длина (а), по меньшей мере, одной из указанных горелок (6) выбрана таким образом, что она отклоняется от соответствующей длины (а) другой горелки в указанном комплекте, и таким образом, что влияние колебаний, которые возникают во время работы устройства с камерой сгорания, уменьшается. Изобретение уменьшает влияние колебаний акустического давления, которые создаются во время работы устройства с камерой сгорания без одновременного возрастания выбросов, в первую очередь оксидов азота. 18 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к устройству с камерой сгорания, включающему в себя камеру сгорания и комплект горелок, каждая из которых имеет выпускное отверстие в камеру сгорания.

В таких камерах сгорания с несколькими горелками, предназначенных, например, для газовых турбин, могут возникать акустические колебания давления или пульсации давления, которые приводят к механическим колебаниям, создающим проблемы прочности и шума. Такие колебания могут иметь частоту колебаний, составляющую несколько сотен герц, а в камерах сгорания для газовых турбин проблема становится более серьезной, по крайней мере отчасти, вследствие дополнительных строгих требований к снижению выбросов, например, соединений NO_x. Возможное объяснение увеличения колебаний при сокращении выбросов может заключаться в том, что топливо из основного потока и воздух предварительно смешивают, и образуется смесь, в которой после этого осуществляется горение. Чем лучше и более однородна смесь, тем меньше процентное содержание выбросов, но одновременно объем горения становится более восприимчивым к колебаниям давления. Поскольку в настоящее время устройства с камерами сгорания включают в себя некоторое количество горелок, которые влияют друг на друга через любое общее пространство, такое, как камера сгорания, то колебания от различных горелок во многих случаях также взаимно усиливаются.

Известно, что влияние таких колебаний акустического давления можно, по меньшей мере частично, уменьшить путем подачи топлива в так называемом пилотном потоке, т.е. топлива, которое предварительно не смешано. Однако горение такого пилотного потока приводит к возрастанию выбросов.

В патентном документе Германии №4336096 описана кольцевая камера сгорания с некоторым количеством горелок. Горелки расположены по отношению друг к другу в продольном направлении с целью уменьшения колебаний. Все горелки имеют одинаковую форму.

В Международной публикации № WO 98/12479 описана камера сгорания для газовой турбины с рядом горелок различных размеров. Однако каждая горелка имеет установленную геометрическую форму, т.е. все размерные соотношения сохраняются, хотя размер изменяется.

Задача настоящего изобретения заключается в уменьшении влияния колебаний акустического давления, которые создаются во время работы устройства с камерой сгорания без одновременного возрастания выбросов, в первую очередь оксидов

азота.

Эта задача решается посредством устройства с камерой сгорания, указанного первоначально, в котором каждая горелка включает в себя элементы для подачи потока кислородсодержащего газа в горелку, элементы для подачи топлива в горелку и пространство, которое продолжается в камеру сгорания вдоль продольного направления и выполнено с возможностью смешивания подаваемого топлива и подаваемого кислородсодержащего газа, в котором каждая горелка выполнена с возможностью передачи, по существу, в равной степени большого потока кислородсодержащего газа через горелку в камеру сгорания, в котором каждая горелка характеризуется, по меньшей мере, одним параметром, который включает в себя характеристическую длину пространства вдоль продольного направления, и в котором, по меньшей мере, характеристическая длина, по меньшей мере, одной из указанных горелок выбрана таким образом, что она отклоняется от соответствующей длины другой горелки в указанном комплекте, и таким образом, что влияние колебаний, которые возникают во время работы устройства с камерой сгорания, уменьшается.

Путем изменения геометрии горелок указанным образом и придания горелкам асимметричной или нерегулярной характеристики можно получить различные частоты колебаний, которые генерируются в разных горелках, что в значительной степени уменьшает опасность того, что колебания, которые генерируются в различных деталях устройства с камерой сгорания, будут взаимно усиливаться. Вместо этого возрастает вероятность того, что, по меньшей мере, часть колебаний будет взаимодействовать таким образом, что колебания уменьшаются или даже взаимно ослабляются. Следовательно, изобретение обеспечивает возможность определения путем расчетов такого значения характеристической длины для, по меньшей мере, одной из горелок, при котором в значительной степени уменьшается влияние колебаний, которые возникают во время работы устройства с камерой сгорания. Длину пространства или горелки можно легко изменить. На конструкцию камеры сгорания не влияет такое изменение одной или нескольких горелок. Путем выполнения всех горелок таким образом, что они обеспечивают возможность передачи, по существу, в равной степени большого потока или в равной степени большого количества кислородсодержащего газа через горелку в камеру сгорания, можно легко получить эффект уменьшения колебаний, поскольку можно регулировать подачу топлива в каждую горелку так, как если бы они были одинаковыми.

В соответствии с вариантом осуществления изобретения каждая горелка продолжается между задней концевой частью, которая включает в себя указанные элементы для подачи кислородсодержащего газа, и передней концевой частью, которая включает в себя указанное выпускное отверстие. Следовательно, все пространство можно использовать для придания требуемых свойств потоку кислородсодержащего газа, чтобы получить эффективное перемешивание с топливом. При этом указанные элементы для подачи топлива могут быть расположены выше по потоку относительно передней концевой части и, в частности, возле задней концевой части. Однако указанные элементы для подачи топлива могут также включать в себя распределительный элемент, который расположен в пространстве ниже по потоку относительно задней концевой части. С достижением преимущества пространство и характеристическая длина продолжаются от задней концевой части до выпускного отверстия. Кроме того, можно допустить, чтобы пространство и характеристическая длина продолжались от указанных элементов для подачи топлива до выпускного отверстия.

В соответствии с дальнейшим вариантом осуществления изобретения указанный параметр включает в себя характеристическую ширину пространства. Характеристическая ширина может продолжаться перпендикулярно к указанному продольному направлению указанного пространства. С достижением преимущества пространство имеет удлиненную форму, т.е. характеристическая длина значительно больше, чем характеристическая ширина. Кроме того, пространство может иметь, по существу, круговую форму в поперечном сечении, сделанном поперек продольного направления, и может быть выполнено, по существу, цилиндрическим.

В соответствии с дальнейшим вариантом осуществления изобретения характеристическая ширина, по меньшей мере, одной из указанных горелок выбрана таким образом, что она отклоняется от соответствующей ширины другой горелки в указанном комплекте. При таком изменении геометрии дополнительно возрастают возможности эффективного уменьшения пульсаций давления.

В соответствии с дальнейшим вариантом осуществления указанный параметр включает в себя расстояние от рассматриваемой горелки до самой соседней горелки и при этом указанное расстояние от, по меньшей мере, одной из указанных горелок до самой соседней горелки выбрано таким образом, что оно отклоняется от соответствующего расстояния между двумя другими соседними горелками в указанном комплекте.

В соответствии с дальнейшим вариантом осуществления указанный параметр для, по меньшей мере, двух из указанных горелок выбран таким образом, что он отклоняется от соответствующего параметра для другой горелки в указанном комплекте. При изменении геометрии нескольких горелок возрастают возможности уменьшения колебаний или пульсаций давления. В связи с этим указанный параметр для некоторого количества указанных горелок может быть выбран таким образом, чтобы он отклонялся от соответствующего параметра для другого некоторого количества указанных горелок в указанном комплекте. Конечно, также можно допустить, чтобы любой из указанных параметров был иным для, по существу, каждой горелки устройства с камерой сгорания согласно настоящему изобретению.

В соответствии с дальнейшим вариантом осуществления изобретения устройство выполнено с возможностью расположения выше по потоку относительно газовой турбины и подачи горячего рабочего газа в газовую турбину. Такое применение является преимущественным, поскольку проблема колебаний представляется особенно серьезной в сочетании с газовыми турбинами. При этом камера сгорания может быть кольцевой или кольцеобразной и продолжаться вокруг оси вращения газовой турбины по направлению, по существу, круговой траектории.

В соответствии с дальнейшим вариантом осуществления изобретения горелки указанного комплекта расположены по направлению, по существу, круговой траектории, при этом указанные параметры дополнительно включают в себя расстояние от указанных горелок до, по существу, круговой траектории, а это расстояние от, по меньшей мере, одной из указанных горелок выбрано таким образом, что оно отклоняется от соответствующего расстояния другой горелки в указанном комплекте.

Теперь настоящее изобретение будет пояснено более подробно посредством различных вариантов осуществления и со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1 - продольный разрез устройства с камерой сгорания в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

фиг.2 - поперечный разрез устройства с камерой сгорания из фиг. 1;

фиг.3 - конструкция различных горелок устройства с камерой сгорания из фиг. 1;

фиг. 4 - конструкция различных горелок устройства с камерой сгорания в соответствии с дальнейшим вариантом осуществления изобретения;

фиг.5 - вид спереди горелки из фиг. 4.

Теперь настоящее изобретение будет пояснено в соединении с газотурбинным устройством 1, которое включает в себя кольцевую или кольцеобразную камеру 2 сгорания, т.е. камеру 2 сгорания, которая продолжается по направлению, по существу, круговой траектории о вокруг ротора 3 газотурбинного устройства 1 и вокруг оси r вращения, относительно которой вращается ротор 3. Однако следует отметить, что изобретение также применимо к камерам сгорания других типов, кроме как к кольцевым камерам сгорания, и, кроме того, может быть использовано в иных соединениях, помимо как в составе газотурбинного устройства.

Газотурбинное устройство 1, показанное на фиг.1, включает в себя компрессор 4 и газовую турбину 5. Устройство с камерой сгорания газотурбинного устройства 1 включает в себя кольцевую камеру 2 сгорания, упомянутую выше, и комплект горелок 6, каждая из которых имеет выпускное отверстие 7, проходящее через разграничительную стенку 21 общей камеры 2 сгорания.

Каждая горелка имеет заднюю концевую часть и промежуточное пространство 9, а также переднюю концевую часть, которая включает в себя выпускное отверстие 7. Каждая горелка 6 включает в себя элементы 20 в виде подающего топливопровода 8 и, по меньшей мере, сопла (не показанного более подробно) для подачи топлива в виде нефтетоплива или газа в горелку 6. Помимо этого, каждая горелка 6 включает в себя элементы для подачи воздуха для горения или любого другого кислородсодержащего газа в горелку 6 посредством компрессора 4. В показанном примере эти элементы представляют собой удлиненные подающие отверстия 10, см. фиг.3, в задней концевой части каждой горелки 6. Эти подающие отверстия 10 выполнены таким образом, что подаваемый воздух для горения вызывает вихрь в горелке 6. Подаваемое топливо и подаваемый воздух для горения смешиваются в пространстве 9. Предпочтительно, подающие отверстия 10 выполнены таким образом, что количество воздуха для горения, подаваемое в горелку 6, является, по существу, одинаковым для всех горелок 6.

Пространство 9 продолжается вдоль продольного направления х от задней концевой части, а более точно - от подающего отверстия 10, до передней концевой части и имеет удлиненную форму. В варианте осуществления, показанном на фиг.2 и 3, пространство 9 имеет, по существу, круговую форму в поперечном сечении, сделанном поперек продольного направления х. В показанном варианте осуществления пространство 9 выполнено, по существу, цилиндрическим. Однако можно допустить, чтобы горелка 6 и пространство 9 имели расширяющуюся или сужающуюся конфигурацию, например коническую форму. Здесь следует отметить, что в рамках объема изобретения горелку 6 и пространство 9 можно выполнить многими различными способами, например, отверстия 10 подачи воздуха для горения могут иметь многочисленные иные формы и могут быть расположены во многих других местах.

Однако каждая горелка 6 описана или определена рядом различных параметров, которые существенно не зависят от геометрии горелок 6 или местоположения горелок 6 по отношению к камере 2 сгорания и к другим горелкам 6. Эти параметры включают в себя характеристическую длину "а" каждой горелки. В показанном примере характеристическая длина "а" представляет собой длину пространства 9 вдоль продольного направления х. Другим таким параметром является расстояние "b" от рассматриваемой горелки 6 до наиболее близкой соседней горелки или горелок 6. Еще один параметр представляет собой характеристическую ширину "с" каждой горелки. В варианте осуществления, показанном на фиг.2 и 3, характеристическая ширина "с" является шириной пространства 9. Вследствие удлиненной формы пространства 9 в этом примере характеристическая длина "а" по этой причине в значительной степени больше, чем характеристическая ширина "с". Однако в рамках объема изобретения можно допустить, чтобы характеристическая ширина была равна или больше, чем характеристическая длина "а".

В варианте осуществления, показанном на фиг. 2, горелки 6 расположены по направлению, по существу, круговой траектории о, упомянутой выше. Дополнительным параметром может быть отклонение горелки 6 от круговой траектории о или, более точно, наикратчайшее расстояние "d" между круговой траекторией о и продольным направлением х. Кроме того, этот параметр, который отражает положение горелки 6 в камере 2 сгорания, может быть, по крайней мере, в показанном примере быть также выражен, как расстояние до общей центральной точки в камере 2 сгорания.

На фиг.4 и 5 показан комплект горелок 6 с элементом 20 подачи топлива, включающим в себя подающий топливопровод 8 и распределительный элемент 12, который расположен в пространстве 9 ниже по потоку относительно задней концевой части и ниже по потоку относительно подающего отверстия 10. В показанном примере распределительный элемент 12 включает в себя некоторое количество трубок, которые расположены по радиусам от центра и с которыми соединен подающий топливопровод 8. Указанные трубки образуют крестообразную конфигурацию, а каждая трубка включает в себя ряд сопел 13 для подачи топлива в пространство 9. Кроме того, в варианте осуществления, показанном на фиг.4 и 5, пространство 9 и характеристическая длина "а" могут считаться продолжающимися вдоль продольного направления х от задней концевой части, т.е. от подающего отверстия 10, до передней концевой части. Однако можно задать пространство 9 и характеристическую длину "е" продолжающимися от распределительного элемента 12 до передней концевой части.

До сих пор устройство с камерой сгорания было показано выполненным таким образом, что параметры а, b, с, d, е, определенные выше, были, по существу, одинаковыми для зсех горелок 6. Однако в соответствии с настоящим изобретением одну или несколько горелок 6 следует выполнять таким образом, чтобы характеристическая длина а, е и, возможно, любой один или некоторые из параметров b, с и d отклонялись от соответствующих параметров других горелок 6. Посредством такого одного или нескольких отклонений можно получить различные частоты колебаний в разных горелках 6. В таком случае колебания акустического давления не будут взаимно усиливаться и повышается вероятность того, что вместо этого колебания будут взаимно ослабляться, т.е. при такой асимметричной компоновке горелок 6 колебания или пульсации давления могут быть существенно меньшими.

Из фиг.3 видно, как длину а смешивающего пространства 9 можно изменять для различных горелок 6. Кроме того, из фиг. 3 видно, как диаметр или ширину с смешивающего пространства 9 можно изменять для различных горелок 6. Из фиг.2 ясно видно, как расстояние "b" между соседними горелками можно изменять по направлению круговой траектории о. Кроме того, из фиг. 2 видно, как две горелки 6' можно сместить по отношению к круговой траектории о.

В соответствии с настоящим изобретением у одной горелки 6 может быть отклонение любого из параметров, определенных выше, по отношению к параметру всех других горелок. Также можно допустить, чтобы у некоторого количества горелок 6, например у половины, было то же самое отклонение любого параметра по отношению к параметру других горелок 6. Кроме того, следует упомянуть, что каждая горелка 6 может иметь значение любого одного параметра (или значения нескольких параметров), которое отличается от значения соответствующего параметра всех других горелок 6.

Настоящее изобретение не ограничено описанными вариантами осуществления, а может быть изменено и модифицировано в рамках объема нижеследующей формулы изобретения.

Следует отметить, что изобретение можно применять для камер сгорания всех типов, имеющих более чем одну горелку, и, кроме того, для таких устройств, в которых каждая горелка имеет свою камеру сгорания, но существует влияние каждой другой через любое общее пространство, через которое колебания или пульсации давления могут распространяться.

Формула изобретения

1. Устройство с камерой сгорания, включающее в себя камеру сгорания и комплект горелок (6), каждая из которых имеет выпускное отверстие (7) в камеру (2) сгорания, в котором каждая горелка (6) включает в себя элементы (10) для подачи потока кислородсодержащего газа в горелку (6), элементы (20) для подачи топлива в горелку (6) и пространство (9), которое продолжается в камеру (2) сгорания вдоль продольного направления (х) и выполнено с возможностью смешивания подаваемого топлива и подаваемого кислородсодержащего газа, в котором каждая горелка (6) выполнена с возможностью передачи, по существу, в равной степени большого потока кислородсодержащего газа через горелку (6) в камеру (2) сгорания, в котором каждая горелка (6) характеризуется, по меньшей мере, одним параметром, который включает в себя характеристическую длину (а) пространства (9) вдоль продольного направления (х) , и в котором характеристическая длина (а), по меньшей мере, одной из указанных горелок (6) выбрана таким образом, что она отклоняется от соответствующей длины (а) другой горелки в указанном комплекте, и таким образом, что влияние колебаний, которые возникают во время работы устройства с камерой сгорания, уменьшается.

2. Устройство по п.1, в котором каждая горелка (6) продолжается между задней концевой частью, которая включает в себя указанные элементы (10) для подачи кислородсодержащего газа, и передней концевой частью, которая включает в себя указанное выпускное отверстие (7).

3. Устройство по п.2, в котором указанные элементы (20) для подачи топлива расположены выше по потоку относительно передней концевой части.

4. Устройство по п.3, в котором указанные элементы (20) для подачи топлива расположены возле задней концевой части.

5. Устройство по п.3, в котором указанные элементы (20) для подачи топлива включают в себя распределительный элемент (12), который расположен в пространстве (9) ниже по потоку относительно задней концевой части.

6. Устройство по любому одному из пп.2-5, в котором пространство (9) и характеристическая длина (а) продолжаются от задней концевой части до выпускного отверстия (7).

7. Устройство по любому из пп.1-6, в котором пространство (9) и характеристическая длина (а, е) продолжаются от указанных элементов (20) для подачи топлива до выпускного отверстия (7).

8. Устройство по любому одному из пп.1-7, в котором каждый из указанных параметров включает в себя характеристическую ширину (с) пространства (9).

9. Устройство по п.8, в котором характеристическая ширина (с) продолжается перпендикулярно к указанному продольному направлению (х) указанного пространства (9).

10. Устройство по любому одному из п.8 или 9, в котором пространство (9) имеет удлиненную форму, то есть характеристическая длина (а) значительно больше, чем характеристическая ширина (с).

11. Устройство по любому одному из пп.8-10, в котором характеристическая ширина (с), по меньшей мере, одной из указанных горелок (6) выбрана таким образом, что она отклоняется от соответствующей ширины (с) другой горелки в указанном комплекте.

12. Устройство по любому одному из пп.1-11, в котором пространство (9) имеет, по существу, круговую форму в поперечном сечении, сделанном поперек продольного направления (х).

13. Устройство по любому одному из пп.1-12, в котором пространство (9) выполнено, по существу, цилиндрическим.

14. Устройство по любому одному из пп.1-13, в котором указанные параметры включают в себя расстояние (b) от рассматриваемой горелки до самой соседней горелки и в котором указанное расстояние (b) от, по меньшей мере, одной из указанных горелок (6) до самой соседней горелки (6) выбрано таким образом, что оно отклоняется от соответствующего расстояния (b) между двумя другими соседними горелками (6) в указанном комплекте.

15. Устройство по любому одному из пп.1-14, в котором указанные параметры (а, b, с, е) для, по меньшей мере, двух из указанных горелок (6) выбраны таким образом, что они отклоняются от соответствующих параметров другой горелки (6) в указанном комплекте.

16. Устройство по п.15, в котором указанный параметр (а, b, с, е) для множества указанных горелок (6) выбран таким образом, что он отклоняется от соответствующего параметра для другого параметра указанной горелки (6) в указанном комплекте.

17. Устройство по любому одному из пп.1-16, которое выполнено с возможностью размещения выше по потоку относительно газовой турбины (5) и подачи горячего рабочего газа в газовую турбину.

18. Устройство по п.17, в котором камера (2) сгорания выполнена кольцевой и продолжается вокруг оси (r) вращения газовой турбины (5) по направлению, по существу, круговой траектории (о).

19. Устройство по п.18, в котором горелки указанного комплекта расположены по направлению, по существу, круговой траектории (о), в котором указанные параметры дополнительно включают в себя расстояние (d) от указанных горелок (6) до, по существу, круговой траектории (о) и в котором это расстояние (d) от, по меньшей мере, одной из указанных горелок (6') выбрано таким образом, что оно отклоняется от соответствующего расстояния (d) другой горелки (6) в указанном комплекте.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5

PC4A Государственная регистрация договора об отчуждении исключительного права

Дата и номер государственной регистрации договора: 21.04.2011 № РД0079776

Лицо(а), передающее(ие) исключительное право:АЛЬСТОМ Текнолоджи Лтд. (CH)

Приобретатель исключительного права: Сименс Акциенгезелльшафт (DE)

(73) Патентообладатель(и):Сименс Акциенгезелльшафт (DE)

Дата публикации: 27.05.2011