Звукопоглощающее сопло (варианты)

В настоящей заявке описано звукопоглощающее сопло для системы отбора тепла на вход с использованием потока воздуха, выпускаемого из компрессора. Звукопоглощающее сопло может содержать наружный корпус, звукопоглощающее средство, расположенное внутри наружного корпуса, выпускные отверстия, расположенные в наружном корпусе, воздуховод, сообщающийся с наружным корпусом, и зону с суженным проходным сечением, расположенную вокруг наружной камеры и воздуховода, для прохождения воздуха, выпускаемого из компрессора. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0101] Данная заявка и последующий патент относятся, в целом, к газотурбинным двигателям и, более конкретно, к усовершенствованной конструкции звукопоглощающего сопла для систем отбора тепла на вход.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0102] Эффективность эксплуатации и общая мощность на выходе газотурбинного двигателя, как правило, повышается по мере увеличения температуры потока горячих газообразных продуктов сгорания. Однако высокая температура потока газообразных продуктов сгорания может в результате приводить к повышенной степени образования оксидов азота (NOx). Такие выбросы могут регулироваться нормами как федеральных, так и государственных органов в США, а также аналогичными нормами за пределами США. Таким образом, существует компромисс между эффективностью функционирования газотурбинного двигателя в эффективном диапазоне высоких температур, и одновременной гарантией, что выпуск оксидов азота и других типов регламентированных выбросов остается на уровнях, значительно ниже утвержденных. Помимо этого, изменяющиеся уровни нагрузок, изменяющиеся окружающие условия и эксплуатационные параметры другого типа также могут оказывать значительное влияние на общую мощность на выходе газовой турбины, на эффективность и выбросы.

[0103] Известные конструкции газотурбинных двигателей нескольких типов, такие, в которых используются камеры сгорания без увлажнения с низким уровнем выбросов оксидов азота (Dry Low NOx («DLN»), обычно выполняют предварительное смешивание потока топлива и потока воздуха выше по потоку от реакционной зоны или зоны горения с помощью нескольких топливных форсунок предварительного смешивания, чтобы уменьшать выбросы Nox. Такое предварительное смешивание способствует уменьшению максимальных температур пламени и, соответственно, выбросов NOx.

[0104] Компрессоры газотурбинного двигателя часто содержат воздухозаборные системы с нагревающими устройствами, обеспечивающими повышение температуры приточного воздушного потока. Обледенение впускных направляющих лопаток компрессора, границы помпажа, срыв горения в камере сгорания, вызванный наличием обедненной топливной смеси, и подобные условия могут быть следствием холодных окружающих условий и/или эксплуатационных параметров других типов. По существу степень повышения давления компрессора может быть скомпенсирована отбором некоторого количества воздуха, выпускаемого компрессором, и подачей воздуха обратно на вход компрессора для смешивания охлажденного окружающего воздуха с отобранной частью горячего воздуха, выпускаемого компрессором. Такое смешивание уменьшает плотность воздуха и массовый расход для газовой турбины. Отбор тепла на вход также может увеличивать диапазон работы системы сжигания топлива без увлажнения с низким уровнем выбросов оксидов азота в режиме эффективного предварительного смешивания путем поддержания соотношения топливо/воздух по возможности постоянным.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0105] Данная заявка и последующий патент предлагают звукопоглощающее сопло для системы отбора тепла на вход с использованием потока воздуха, выпускаемого из компрессора. Звукопоглощающее сопло может содержать наружный корпус, звукопоглощающее средство, расположенное внутри наружного корпуса, выпускные отверстия, расположенные в наружном корпусе, воздуховод, сообщающийся с наружным корпусом, и зону с суженным проходным сечением, расположенную вокруг наружной камеры и воздуховода, для прохождения воздуха, выпускаемого из компрессора.

[0106] Данная заявка и последующий патент могут дополнительно предлагать способ выпуска воздуха, выпускаемого из компрессора, в систему отбора тепла на вход. Данный способ может включать обеспечение протекания выпускаемого из компрессора воздуха к звукопоглощающему соплу в системе отбора тепла на вход; обеспечение протекания выпускаемого из компрессора воздуха через зону с суженным проходным сечением; обеспечение протекания выпускаемого из компрессора воздуха через звукопоглощающее средство в звукопоглощающем сопле; и обеспечение протекания выпускаемого из компрессора воздуха через указанные выпускные отверстия в звукопоглощающем сопле.

[0107] Данная заявка и последующий патент могут предлагать звукопоглощающее сопло для системы отбора тепла на вход с использованием потока воздуха, выпускаемого из компрессора. Звукопоглощающее сопло может содержать наружный корпус, проходящий от верхнего по потоку конца к нижнему по потоку концу, звукопоглощающее средство, расположенное внутри наружного корпуса, выпускные отверстия, расположенные в наружном корпусе, воздуховод, сообщающийся с наружным корпусом, и зону с суженным проходным сечением, расположенную вокруг наружной камеры и воздуховода, для уменьшения энергии потока воздуха, выпускаемого из компрессора.

[0108] Вышеизложенные и другие свойства, а также усовершенствования данной заявки и последующего патента будут очевидны специалисту при прочтении нижеследующего подробного описания в сочетании с чертежами и прилагаемой формулой изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0109] Фиг.1 изображает схему газотурбинного двигателя с системой отбора тепла на вход.

[0110] Фиг.2 схематически изображает звукопоглощающее сопло описанное в данном документе, для использования с системой отбора тепла на вход, показанной на фиг.1.

[0111] Фиг.3 схематически изображает другой вариант выполнения звукопоглощающего сопла, описанного в данном документе.

[0112] Фиг.4 схематически изображает другой вариант выполнения звукопоглощающего сопла, описанного в данном документе.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0113] Обратимся теперь к чертежам, на которых одинаковыми номерами позиции обозначены одинаковые элементы на нескольких видах. Фиг.1 показывает схему газотурбинного двигателя 10, описанного в данном документе. Газотурбинный двигатель 10 может содержать компрессор 15, который сжимает приточный поток воздуха 20 и подает сжатый поток воздуха 20 к камере 25 сгорания. В камере 25 сгорания сжатый поток воздуха 20 смешивается со сжатым потоком топлива 30, и эта смесь воспламеняется для создания потока газообразных продуктов 35 сгорания. Несмотря на то, что показана одна камера 25 сгорания, тем не менее, газотурбинный двигатель 10 может содержать любое количество камер 25 сгорания, расположенных в виде кольцевого массива или иным образом. Поток газообразных продуктов 35 сгорания подается в свою очередь к турбине 40 и приводит ее в действие для создания механической работы. Создаваемая в турбине 40 механическая работа приводит в действие компрессор 15 с помощью вала 45, а также приводит в действие внешнюю нагрузку 50, например электрогенератор или подобное устройство.

[0114] Газотурбинный двигатель 10 может использовать природный газ, жидкое топливо, различные виды синтетических газов и/или другие виды топлива и их смеси. Газотурбинный двигатель 10 может быть любым из числа различных газотурбинных двигателей, предлагаемых компанией «Дженерал электрик», шт. Скенектади, Нью-Йорк, включая, но ограничения этим, двигатели, которые относятся к мощному газотурбинному двигателю из 7 или 9 серий и подобных ему. Газотурбинный двигатель 10 может иметь различные конструкции, и в нем могут использоваться другие типы компонентов. Кроме того, применительно к данному документу могут использоваться другие типы газотурбинных двигателей. Дополнительно, применительно к данному документу могут использоваться совместно газотурбинные двигатели с несколькими турбинами, турбины другого типа и оборудование, вырабатывающее энергию, другого типа.

[0115] Газотурбинный двигатель 10 также может содержать систему 55 отбора тепла на вход. Система 55 может быть расположена выше по потоку от впускного отверстия компрессора 15. Система 55 может отводить поток нагретого воздуха 60, выпускаемого из компрессора, к впускному отверстию компрессора 15. Система 55 может содержать выпускную линию 65 из компрессора, имеющую один или более регулирующих клапанов 70, расположенных в ней. Система 55 может выпускать воздух 60, выпускаемый из компрессора, через несколько звукопоглощающих сопел 75, которые могут служить для уменьшения скорости выпускаемого из компрессора воздуха 60 путем его смешивания с наружным окружающим воздухом. Сопла 75 также служат для уменьшения общего шума, создаваемого компрессором 15 и всем двигателем 10.

[0116] Фиг.2 изображает пример звукопоглощающего сопла 100 применительно к данному документу. Сопло 100 может содержать наружный корпус 110, который может иметь любые подходящие размер, форму или конфигурацию. Наружный корпус 110 может проходить от первого конца 120 ко второму концу 130 сопла. Первый, или верхний по потоку конец 120 может иметь выпускные отверстия 140, проходящие через корпус 110. Применительно к данному документу может использоваться любое количество выпускных отверстий 140 любого

подходящего размера, формы или конфигурации. Второй, или нижний по потоку конец 130 может быть закрыт. Сопло 100 также может содержать воздуховод 150. Воздуховод 150 может проходить от выпускной линии 65 компрессора в наружный корпус 110, сообщаясь с выпускаемым из компрессора воздухом 60. Воздуховод 150 в его конце или смежно с вторым концом 130 наружного корпуса 110 может иметь зону 155 с суженным проходным сечением. В этом примере зона с суженным проходным сечением может иметь форму одного или нескольких щелевых отверстий и/или зазоров 160 в воздуховоде 150 или между воздуховодом и вторым концом 130 наружного корпуса 110. Щелевые отверстия и/или зазоры 160 могут иметь любые подходящие размер, форму или конфигурацию. Щелевые отверстия или зазоры 160 могут быть меньше, чем выпускные отверстия 140. Кольцевая область 170 между воздуховодом 150 и наружным корпусом 110 может быть заполнена звукопоглощающим средством 180, которое может быть проволочной сеткой, или минеральной ватой, или пористым материалом другого типа. Применительно к данному документу могут использоваться другие компоненты и другие конфигурации.

[0117] При эксплуатации размер щелевых отверстий или зазоров 160 в воздуховоде или между воздуховодом 140 и вторым концом 130 наружного корпуса 110 может быть рассчитан, исходя из общих акустических условий. Когда выпускаемый из компрессора воздух 60 выходит из щелевых отверстий или зазоров 160 воздуховода 150, звукопоглощающее средство 180 служит для разрушения в нем ударных волн, чтобы обеспечить по существу равномерный поток. Наличие звукопоглощающего средства препятствует прохождению шума обратно в верхнем по потоку направлении. Затем горячий воздух 60 проходит через звукопоглощающее средство 180 к первому концу 120 наружного корпуса 110 и выходит во внешнюю среду через выпускные отверстия 140, имеющие больший размер. Верхние по потоку выпускные отверстия 140 обеспечивают более длинный путь прохождения горячего выпускаемого из компрессора воздуха 60 до и после его смешивания с окружающим воздухом.

[0118] На Фиг.3 показан другой вариант выполнения звукопоглощающего сопла 200 применительно к данному документу. Звукопоглощающее сопло 200 может содержать наружный корпус 210, который может иметь любые подходящие размер, форму или конфигурацию. Наружный корпус 210 может проходить от первого, или верхнего по потоку конца 220 ко второму, или нижнему по потоку концу 230. В этом примере второй, или нижний по потоку конец 230 может иметь выпускные отверстия 240, которые могут иметь любые подходящие размер, форму или конфигурацию. Наружный корпус 210 может быть заполнен звукопоглощающим средством 250, которое может быть проволочной сеткой, или минеральной ватой, или пористым материалом другого типа. Первый, или верхний по потоку конец 220 наружного корпуса 210 может содержать воздушную камеру 260 и сообщаться с ней. Воздушная камера 260 может сообщаться с выпускной линией 65 компрессора и с выпускаемым из компрессора воздухом 60 с помощью воздуховода 265. Воздушная камера 260 может иметь любые подходящие размер, форму или конфигурацию. Воздушная камера 260 может содержать кольцевую полость 270 для воздуха со звуковой скоростью, имеющую зону 280 с суженным проходным сечением, расположенную вокруг наружного корпуса 210. В этом примере зона 280 с суженным проходным сечением может иметь форму отверстий 290 для воздуха со звуковой скоростью. Применительно к данному документу может использоваться любое количество отверстий 290 с любым подходящим размером, формой или конфигурацией. Применительно к данному документу могут использоваться другие компоненты и другие конфигурации.

[0119] При эксплуатации горячий воздух 60, выпускаемый из компрессора, проходит в воздушную камеру 260 и через отверстия 290 кольцевой полости 270. Затем выпускаемый из компрессора воздух 60 проходит через звукопоглощающее средство 250, расположенное внутри наружного корпуса 210, и выходит в окружающую среду через выпускные отверстия 240 у нижнего по потоку, или второго конца 230 корпуса. Звукопоглощающее средство 250 стабилизирует поток так, чтобы сделать его по существу равномерным в окружном направлении через отверстия 290 с обеспечением тем самым более равномерного потока вокруг сопла 200. Применительно к данному документу могут использоваться другие компоненты и другие конфигурации.

[0120] На Фиг.4 показан пример другого варианта выполнения звукопоглощающего сопла 300. Звукопоглощающее сопло 300 может содержать наружный корпус 310, который может иметь любые подходящие размер, форму или конфигурацию. Наружный корпус 310 может проходить от первого, или верхнего по потоку конца 320 ко второму, или нижнему по потоку концу 330. Второй, или нижний по потоку конец 330 может иметь расположенные в нем выпускные отверстия 340. Применительно к данному документу любое количество выпускных отверстий 340 может иметь любой подходящий размер, форму или конфигурацию. Наружный корпус 310 может быть заполнен звукопоглощающим средством 350, которое может быть проволочной сеткой, или минеральной ватой, или пористым материалом другого типа. Сопло 300 может содержать воздуховод 355 в виде трубки 360 Вентури, которая может сообщаться с выпускной линией 65 компрессора посредством воздуха 60, выпускаемого из компрессора. Трубка 360 Вентури может иметь зону 370 с суженным проходным сечением, расположенную около первого, или верхнего по потоку конца 320 корпуса 310. В этом примере зона 370 с суженным проходным сечением может быть выполнена в форме горловины 380 с суженным проходным сечением. Горловина 380 обеспечивает возникновение эффекта Вентури в потоке воздуха 60, поступающего в наружный корпус 310. Горловина 380 может иметь любой подходящий размер, форму или конфигурацию. Применительно к данному документу могут использоваться другие компоненты и другие конфигурации.

[0121] При эксплуатации горячий воздух 60 проходит через трубку 360 Вентури с горловиной 380. Горловина 380 создает состояние дросселирования потока, при котором скорость текучей среды приближается к местной скорости звука. В этом дросселируемом потоке массовый расход не может увеличиваться при дальнейшем уменьшении давления ниже по потоку. Однако массовый расход сжимаемой текучей среды может увеличиваться при увеличенном давлении выше по потоку с тем, чтобы увеличить плотность текучей среды, проходящей через горловину 370 (хотя скорость при этом может оставаться постоянной). Затем поток выходит из горловины 380, проходит через звукопоглощающее средство 350 и выходит через отверстия 340.

[0122] Таким образом, описанные в этом документе звукопоглощающие сопла 100, 200, 300 доводят давление воздуха 60, выпускаемого из компрессора, до атмосферного путем уменьшения энергии и скорости потока с помощью зон с суженным проходным сечением, таких как щелевые отверстия 160, отверстия 290 для воздуха со звуковой скоростью и/или горловина 380 с суженным проходным сечением. Подобным образом, использование звукопоглощающего средства обеспечивает уменьшение общего шума. Помимо этого, сопла 100, 200, 300 могут обеспечивать полностью упрощенную конструкцию. Сопла 100, 200, 300 могут быть самостоятельным оборудованием и/или составлять часть модернизированного оборудования. Звукопоглощающие сопла 100, 200, 300 различных типов могут использоваться совместно.

[0123] Следует понимать, что вышеизложенное относится только к конкретным вариантам выполнения данной заявки и последующего патента, поэтому специалисты могут внести в данную заявку многочисленные изменения и модификации без отклонения от сущности и объема изобретения, определенных в формуле изобретения, и их эквивалентов.

Перечень ссылочных обозначений

10 газотурбинный двигатель

15 компрессор

20 воздух

25 камера сгорания

30 топливо

35 газообразные продукты сгорания

40 турбина

45 вал

50 нагрузка

55 система отбора тепла на вход

60 выпускаемый из компрессора воздух

65 выпускная линия компрессора

70 клапаны

75 звукопоглощающие сопла

100 звукопоглощающее сопло

110 наружный корпус

120 первый конец

130 второй конец

140 выпускные отверстия

150 воздуховод

155 зона с суженным проходным сечением

160 щелевые отверстия или зазоры

170 кольцевая область

180 звукопоглощающее средство

200 звукопоглощающее сопло

210 наружный корпус

220 первый конец

230 второй конец

240 выпускные отверстия

250 звукопоглощающее средство

260 воздушная камера

265 воздуховод

270 кольцевая полость для воздуха со звуковой скоростью

280 зона с суженным проходным сечением

290 отверстия для воздуха в кольцевой полости

300 звукопоглощающее сопло

310 наружный корпус

320 первый конец

330 второй конец

340 выпускные отверстия

355 воздуховод

350 звукопоглощающее средство

360 трубка Вентури

370 зона с суженным проходным сечением

380 горловина с суженным проходным сечением 1

1. Звукопоглощающее сопло для системы отбора тепла на вход с использованием потока воздуха, выпускаемого из компрессора, содержащее

наружный корпус, имеющий кольцевую стенку с продольной осью,

звукопоглощающее средство, расположенное внутри наружного корпуса,

выпускные отверстия, выполненные в наружном корпусе,

воздуховод, сообщающийся с наружным корпусом,

воздушную камеру, расположенную между наружным корпусом и воздуховодом вдоль указанной продольной оси,

причем воздушная камера содержит кольцевой элемент для воздуха, выполненный вблизи наружного корпуса,

при этом кольцевой элемент образован между внешней окружной кольцевой стенкой воздушной камеры и внутренней окружной кольцевой стенкой указанной камеры,

зону с суженным проходным сечением, находящуюся вблизи воздушной камеры и сообщающуюся с воздуховодом для прохождения потока воздуха, выпускаемого из компрессора,

причем зона с суженным проходным сечением представляет собой отверстия, проходящие через внутреннюю окружную кольцевую стенку воздушной камеры.

2. Звукопоглощающее сопло по п.1, в котором наружный корпус имеет первый конец и второй конец.

3. Звукопоглощающее сопло по п.2, в котором указанные выпускные отверстия находятся вблизи указанного первого конца наружного корпуса.

4. Звукопоглощающее сопло по п.2, в котором указанные выпускные отверстия находятся вблизи указанного второго конца наружного корпуса.

5. Звукопоглощающее сопло по п.2, в котором указанные выпускные отверстия находятся вблизи указанного первого конца наружного корпуса, а зона с суженным проходным сечением находится вблизи указанного второго конца наружного корпуса.

6. Звукопоглощающее сопло по п.2, в котором указанные выпускные отверстия находятся вблизи указанного второго конца наружного корпуса, а зона с суженным проходным сечением находится вблизи указанного первого конца наружного корпуса.

7. Звукопоглощающее сопло по п.1, в котором звукопоглощающее средство содержит проволочную сетку или минеральную вату.

8. Звукопоглощающее сопло по п.1, в котором указанные выпускные отверстия по размеру больше, чем зона с суженным проходным сечением.

9. Звукопоглощающее сопло для системы отбора тепла на вход с использованием потока воздуха, выпускаемого из компрессора, содержащее

наружный корпус, имеющий кольцевую стенку с продольной осью и проходящий от верхнего по потоку конца к нижнему по потоку концу,

звукопоглощающее средство, расположенное внутри наружного корпуса,

выпускные отверстия, выполненные на наружном корпусе,

воздуховод, сообщающийся с наружным корпусом,

воздушную камеру, расположенную между наружным корпусом и воздуховодом вдоль указанной продольной оси,

причем воздушная камера содержит кольцевой элемент для воздуха, выполненный вблизи наружного корпуса,

при этом кольцевой элемент образован между внешней окружной кольцевой стенкой воздушной камеры и внутренней окружной кольцевой стенкой указанной камеры,

и зону с суженным проходным сечением, находящуюся вблизи воздушной камеры и сообщающуюся с воздуховодом для уменьшения энергии потока воздуха, выпускаемого из компрессора,

причем зона с суженным проходным сечением представляет собой отверстия, проходящие через внутреннюю окружную кольцевую стенку воздушной камеры.