Газотурбинная установка и способ ее модернизации

Изобретение относится к газотурбинной установке. Газотурбинная установка содержит компрессор, нагнетательную камеру, соединенную с компрессором, камеру сгорания со сжигающим устройством, содержащую переднюю панель, по меньшей мере, демпфер, соединенный с передней панелью и расположенный в нагнетательной камере, и горелки, соединенные с передней панелью, при этом передняя панель и горелки расположены, по меньшей мере частично, в нагнетательной камере, при этом демпфер имеет камеру, адаптированную к пространству, доступному между смежными горелками. Демпфер представляет собой демпфер Гельмгольца и содержит камеру и горловину, при этом горловина соединяет камеру с передней панелью. Изобретение позволяет предотвратить механические разрушения компонентов камеры сгорания. 11 з.п. ф-лы, 13 ил.

 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Настоящая заявка притязает на приоритет по заявке на Европейский патент № 18425016.5, поданной 23 марта 2018, описание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к газотурбинной установке и способу ее модернизации.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известно, что газотурбинные установки содержат компрессор, камеру сгорания, в которую подаются сжатый воздух, подаваемый из компрессора, и топливо и в которой топливо сжигается, в результате чего образуется горячий газ, содержащий высокое давление и высокую температуру, и турбину, в которой горячий газ расширяется для совершения механической работы.

В частности, компрессор соединен с нагнетательной камерой, и камера сгорания имеет сжигающее устройство с передней панелью, предусмотренной с горелками. Передняя панель и горелки расположены в нагнетательной камере, так что сжатый воздух подается в нагнетательную камеру, и из нагнетательной камеры он поступает в горелки, в которых он смешивается с топливом и, таким образом, проходит в сжигающее устройство, в котором происходит горение.

Процесс горения может вызвать пульсацию, которая при ее возникновении должна контролироваться и подавляться для предотвращения механического разрушения компонентов камеры сгорания.

Одним видом демпфера, часто используемым при применениях газотурбинных установок, является так называемый демпфер Гельмгольца; демпферы Гельмгольца имеют камеру, соединенную посредством горловины со средой, в которой создаются пульсации, подлежащие подавлению, такой как сжигающее устройство в камере сгорания.

Частота, при которой подавляются пульсации, зависит от объема камеры и длины горловины (фактически эффективной длины, которая больше геометрической длины), так что для подавления пульсаций в соответствующем диапазоне частот (например, между 50 и 500 Гц) требуются заданные соотношения между объемом камеры и длиной горловины.

Кроме того, эффективность демпфера Гельмгольца зависит от объема камеры, так что чем больше объем, тем больше эффект подавления.

Известны другие виды демпферов, такие как полуволновые или четвертьволновые демпферы; эти демпферы имеют ограничения, аналогичные демпферам Гельмгольца, в отношении геометрических пропорций и объема. В нижеприведенном описании делается ссылка на демпферы Гельмгольца.

Для оптимизации эффекта демпфирования/подавления демпферы должны быть предусмотрены в зоне сжигающего устройства рядом с зоной, в которой пламя удерживается во время работы, поскольку именно в этой зоне генерируются пульсации.

Тем не менее, вследствие ограничений, обусловленных требуемыми геометрическими пропорциями демпфера, объемом камеры и очень небольшим пространством, доступным в зоне сжигающего устройства, может оказаться трудным или даже невозможным выполнение демпфером с необходимыми характеристиками и в требуемом месте.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Аспект изобретения включает выполнение газотурбинной установки с демпфером, который способен эффективно подавлять пульсации в требуемом диапазоне частот и который в то же время предусмотрен в требуемом месте сжигающего устройства рядом с зоной, в которой удерживается пламя.

Другой аспект изобретения включает обеспечение способа модернизации газотурбинных установок.

Эти и другие аспекты реализуются за счет выполнения газотурбинной установки и способа в соответствии с сопровождающей формулой изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Дополнительные характеристики и преимущества будут более очевидными из описания предпочтительного, но не единственного варианта осуществления газотурбинной установки и способа, проиллюстрированных посредством неограничивающего примера на сопровождающих чертежах, в которых:

фиг.1 схематически показывает газотурбинную установку;

фиг.2 показывает часть камеры сгорания газотурбинной установки без демпферов;

фиг.3 показывает часть камеры сгорания газотурбинной установки с демпферами;

фиг.4-7 показывают разные примеры передней панели с горелками и демпферами;

фиг.8-10 показывают увеличенные части передней панели и зоны вокруг нее в разных вариантах осуществления;

фиг.11-12 показывают разные примеры демпферов;

фиг.13 показывает демпфер, соединенный с передней панелью.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фигурах показана газотурбинная установка 1, содержащая компрессор 2, камеру 3 сгорания и турбину 4. Газотурбинная установка дополнительно имеет нагнетательную камеру 5, соединенную с компрессором 2; в нагнетательной камере 5 расположен передний конец камеры 3 сгорания. Камера 3 сгорания содержит сжигающее устройство 7 с передней панелью 8 и горелками 9, присоединенными к передней панели 8. Горелки 9 соединены с системой (непоказанной) подачи топлива для подачи топлива.

Газотурбинная установка 1 содержит один или предпочтительно более одного демпфера 10, которые соединены с передней панелью 8 и расположены в нагнетательной камере 8. Таким образом, демпферы соединены с той зоной камеры сгорания, которая находится рядом с зоной, в которой удерживается пламя, происходит процесс горения и могут возникать пульсации. Демпфирование в этой зоне предотвращает распространение пульсаций через сжигающее устройство и возможное повреждение камеры сгорания.

В предпочтительном варианте осуществления камера 3 сгорания представляет собой кольцевую камеру сгорания, и горелки 9 предусмотрены на всей окружной периферии камеры сгорания. Расстояние между горелками в направлении вдоль окружности предпочтительно является постоянным, но оно также может варьироваться в конкретных применениях. Все горелки предпочтительно находятся на одной окружности (фиг.4-6, 11, 12), но также возможны варианты осуществления с горелками, находящимися на разных окружностях, таких как концентрические окружности (фиг.7).

Демпферы 10 имеют камеру 11, адаптированную к пространству, содержащемуся между смежными горелками 9. Эта характеристика обеспечивает возможность оптимизированного использования доступного пространства, так что объем камер 11 и, следовательно, эффективность демпфирования может быть оптимизирована, например, максимизирована.

Адаптацию к пространству, доступному между смежными демпферами 10, предпочтительно осуществляют в плоскости передней панели 8, как показано, например, на фиг.4-7.

Адаптация включает придание камере 11 такой формы в плоскости передней панели 8 (фиг.4-7), чтобы форма камеры была адаптирована к доступному пространству между горелками 9.

Для дополнительной оптимизации использования доступного пространства камера 11 предпочтительно дополнительно адаптирована к наружной периферии 13 передней панели 8.

Адаптация включает придание камере 11 такой формы в плоскости передней панели 8 (фиг.4-7), чтобы форма камеры была адаптирована к доступному пространству, ограниченному наружной периферией 13.

Например, по существу треугольное пространство может быть ограничено между смежными горелками 9 и наружной периферией 13 передней панели 8, и камера 11 предпочтительно имеет по существу треугольную форму и расположена в этом пространстве (фиг.4).

В качестве дополнения или альтернативы передняя панель 8 может иметь кольцевую форму, и камера 11 может быть дополнительно адаптирована к внутренней периферии 15 передней панели 8.

Адаптация включает придание камере 11 такой формы в плоскости передней панели 8 (фиг.5-7), чтобы форма камеры была адаптирована к доступному пространству, ограниченному внутренней периферией 15.

Например, по существу треугольное пространство может быть ограничено между смежными горелками 9 и внутренней периферией 15 передней панели 8, и камера 11 имеет по существу треугольную форму и расположена в этом пространстве (фиг.5).

В дополнительном примере камера 11 может проходить между наружной периферией 13 и внутренней периферией 15 кольцевой передней панели 8. В этом случае использование доступного пространства дополнительно оптимизировано (фиг.6).

Кроме того, для дополнительной оптимизации использования доступного пространства камера 11 может быть адаптирована к стенке 16, ограничивающей нагнетательную камеру 5 (фиг.9, 10).

Демпфер 10 предпочтительно представляет собой демпфер Гельмгольца и содержит камеру 11 и горловину 17, которая соединяет камеру 11 с передней панелью 8. В любом случае возможны другие виды демпферов, описанные выше (полуволновые или четвертьволновые, или другие).

В предпочтительном и целесообразном варианте осуществления демпфер 10 не оказывает существенного воздействия на поток воздуха, проходящий через горелки 9, таким образом, не оказывается существенное воздействие ни на полный поток воздуха через все горелки 9, ни на поток, проходящий через каждую горелку 9. Эта характеристика может, например, способствовать модернизации существующих газотурбинных установок; эта характеристика также может быть полезной в новых газотурбинных установках, например, для того, чтобы оставить открытой возможность усовершенствования или создать возможность использования содержащихся данных по потоку воздуха, проходящему через демпферы, и/или образованию воздушно-топливной смеси и/или горению во время проектирования.

Как показано на фиг.2 и 3, во время эксплуатации первый воздушный поток F1 проходит через горелку 9, когда не предусмотрены никакие демпферы 10, соединенные с передней панелью 8, и второй воздушный поток F2 проходит через горелку 9, когда демпферы 10 (один или более демпферов) соединены с передней панелью 8.

Камера 11 имеет заданный размер S в направлении от передней панели 8. Заданный размер S предпочтительно ограничен так, чтобы второй воздушный поток F2 был по существу таким же, как первый воздушный поток F1.

То обстоятельство, что ограниченный размер S ограничен, не указывает на то, что он меньше или равен расстоянию между отверстиями 18, предназначенными для ввода воздуха в горелки 9, и передней панелью 8; заданный размер S может быть меньше или равен расстоянию между отверстиями 18, предназначенными для ввода воздуха в горелки 9, и передней панелью 8, или может быть даже больше этого расстояния при условии, что не оказывается существенного противодействия воздушному потоку, проходящему в горелки 9.

Кроме того, в особенно предпочтительном варианте осуществления не оказывается существенного влияния на распределение массового потока, проходящего через горелки и каждую горелку, то есть не происходит существенного изменения данного распределения в случае, если демпфер предусмотрен или не предусмотрен.

В этой связи газотурбинная установка может быть предусмотрена с направляющими 20, которые влияют на воздушный поток F2 так, что распределение воздушного потока F2 является по существу таким же, как распределение воздушного потока F1. Направляющие 20 могут быть образованы за счет формы камеры 11 (фиг.9, 12) и/или горловины 17; в качестве альтернативы или дополнения направляющие могут быть также образованы перегородками или направляющими компонентами, предусмотренными в нагнетательной камере 5 (фиг.10, 11), например, соединенными с камерой 11 и/или с горловиной 17 и/или не соединенными ни с камерой 11, ни с горловиной 17, а выполненными в виде отдельных элементов.

Функционирование газотурбинной установки очевидно из того, что описано и проиллюстрировано, и по существу является следующим.

Компрессор 2 обеспечивает сжатие воздуха и его подачу в нагнетательную камеру 5. Из нагнетательной камеры 5 воздушный поток F2 сжатого воздуха поступает в горелки 9 через отверстия 18, он смешивается с топливом, и смесь подается в сжигающее устройство 7. В сжигающем устройстве 7 смесь сжигается, образуя горячий газ, который расширяется в турбине 4.

Пульсации, которые создаются в сжигающем устройстве 7, подавляются демпферами 10. Подавление является эффективным, поскольку благодаря оптимизации использования доступного пространства демпфер может быть спроектирован так, чтобы он соответствовал диапазону частот, в котором должно осуществляться подавление/демпфирование, и требуемой эффективности подавления.

Изобретение также относится к способу модернизации газотурбинной установки.

В частности, способ включает выполнение, по меньшей мере, демпфера 10, соединенного с передней панелью 8 и расположенного в нагнетательной камере 5, при этом демпфер 10 имеет форму, адаптированную к пространству, доступному между смежными горелками 9.

В предпочтительном варианте осуществления способ демпфер 10 имеет заданный размер S в направлении от передней панели 8, и способ включает ограничение заданного размера S так, чтобы наличие демпфера 10 не влияло на воздушный поток, проходящий через горелки 9, например, по существу не вызывало уменьшения воздушного потока, проходящего через горелки 9.

Фиг.13 показывает конструкцию демпфера 10 (подобного описанному ранее или также демпфера другого типа), который соединен с передней панелью 8.

Эта конструкция является целесообразной (но необязательной), когда демпфер 10 должен быть присоединен рядом с местом, в котором удерживается пламя, например, может быть выполнено соединение с передней панелью 8 или соединение может быть выполнено в другом месте.

Фиг.13 показывает демпфер Гельмгольца, содержащий камеру 11 и горловину 17, соединенную с передней панелью 8; эта фигура также показывает горелку 9 и пламя 21, создаваемое топливом, подаваемым через горелку 9; пламя может представлять собой или пламя предварительно подготовленной смеси, или диффузионное пламя.

Демпфер 10 имеет концевую часть 23, вставленную в отверстие 25 передней панели 8. В частности, между отверстием 25 и концевой частью 23 образован зазор 26 (например, кольцевой зазор). Концевая часть 23 демпфера 10, обращенная к передней панели 8, расширена на конус.

Зазор 26 и расширяющаяся на конус, концевая часть 23 являются предпочтительными, поскольку они обеспечивают эффективный способ охлаждения концевой части 23. Действительно, зазор 26 позволяет воздуху проходить через него; такой воздушный поток охлаждает концевую часть 23 демпфера 10.

Кроме того, поскольку зазор 26 образует дросселирующее сопло для воздушного потока (например, вследствие расширяющейся на конус, концевой части 23), воздушный поток ускоряется, проходя через зазор 26, что обеспечивает дополнительное повышение эффективности охлаждения.

Кроме того, несмотря на охлаждение, не оказывается влияние на функционирование демпфера 10 и, следовательно, эффективность демпфирования, обеспечиваемую им. Действительно, расширяющаяся на конус, концевая часть 23 образует расходящееся сопло, которое обеспечивает отвод воздушного потока от горловины 17, например, по конической траектории. Таким образом, не оказывается воздействие на вихри 28 у горловины 17 (эти вихри подавляют вибрации), и, следовательно, не оказывается влияние на эффективность демпфирования.

Например, когда демпфер 10 находится в месте, близком к пламени 21, эта конструкция предпочтительно обеспечивает возможность охлаждения горловины 17, предотвращающего ее повреждение, без влияния на эффективность демпфирования.

Естественно, описанные признаки могут быть предусмотрены независимо друг от друга. Например, признаки каждого из пунктов приложенной формулы изобретения могут быть применены независимо от признаков остальных пунктов формулы изобретения.

На практике используемые материалы и размеры могут быть выбраны произвольно в соответствии с требованиями и уровнем техники.

ССЫЛОЧНЫЕ ПОЗИЦИИ

1 газотурбинная установка

2 компрессор

3 камера сгорания

4 турбина

5 нагнетательная камера

7 сжигающее устройство

8 передняя панель

9 горелки

10 демпфер

11 камера

13 наружная периферия

15 внутренняя периферия

16 стенка нагнетательной камеры

17 горловина

18 отверстия

20 направляющая

21 пламя

23 концевая часть

25 отверстие

26 зазор

28 вихри

F1 первый воздушный поток

F2 второй воздушный поток

S размер демпфера

1. Газотурбинная установка (1), содержащая компрессор (2), нагнетательную камеру (5), соединенную с компрессором (2), камеру (3) сгорания с сжигающим устройством (7), содержащую переднюю панель (8), по меньшей мере, демпфер (10), соединенный с передней панелью (8) и расположенный в нагнетательной камере (5), и горелки (9), соединенные с передней панелью (8), при этом передняя панель (8) и горелки (9) расположены, по меньшей мере частично, в нагнетательной камере (5), при этом демпфер (10) имеет камеру (11), адаптированную к пространству, доступному между смежными горелками (9), отличающаяся тем, что демпфер (10) представляет собой демпфер Гельмгольца и содержит камеру (11) и горловину (17), при этом горловина (17) соединяет камеру (11) с передней панелью (8).

2. Газотурбинная установка (1) по п.1, отличающаяся тем, что камера (11) демпфера (10) дополнительно адаптирована к наружной периферии (13) передней панели (8).

3. Газотурбинная установка (1) по п.2, отличающаяся тем, что по существу треугольное пространство ограничено между смежными горелками (9) и наружной периферией (13) передней панели (8), при этом камера (11) имеет по существу треугольную форму и расположена в этом пространстве.

4. Газотурбинная установка (1) по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что передняя панель (8) имеет кольцевую форму, и камера (11) дополнительно адаптирована к внутренней периферии (15) передней панели (8).

5. Газотурбинная установка (1) по п.4, отличающаяся тем, что по существу треугольное пространство ограничено между смежными горелками (9) и внутренней периферией (15) передней панели (8), при этом камера (11) имеет по существу треугольную форму и расположена в этом пространстве.

6. Газотурбинная установка (1) по пп.2 и 4, отличающаяся тем, что камера (11) проходит между наружной периферией (13) и внутренней периферией (15) кольцевой передней панели (8).

7. Газотурбинная установка (1) по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что камера (11) адаптирована к стенке, ограничивающей нагнетательную камеру (5).

8. Газотурбинная установка (1) по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что во время эксплуатации

первый воздушный поток (F1) проходит через горелки (9), когда не предусмотрен никакой демпфер (10), соединенный с передней панелью (8), и

второй воздушный поток (F2) проходит через горелки (9), когда предусмотрен демпфер (10), соединенный с передней панелью (8),

при этом

камера (11) имеет заданный размер (S) в направлении от передней панели (8), и

заданный размер (S) ограничен так, что второй воздушный поток (F2) является по существу таким же, как первый воздушный поток (F1).

9. Газотурбинная установка (1) по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что во время эксплуатации

первый воздушный поток (F1) проходит через горелки (9), когда не предусмотрен никакой демпфер (10), соединенный с передней панелью (8), и

второй воздушный поток (F2) проходит через горелки (9), когда предусмотрен демпфер (10), соединенный с передней панелью (8),

отличающаяся тем, что снабжена, по меньшей мере, направляющей, которая влияет на второй воздушный поток (F2) так, что распределение второго воздушного потока (F2) является по существу таким же, как распределение первого воздушного потока (F1).

10. Газотурбинная установка (1) по п.9, отличающаяся тем, что указанная, по меньшей мере, направляющая образована за счет формы камеры (11) и/или горловины (17), и/или указанная, по меньшей мере, направляющая образована, по меньшей мере, перегородкой или направляющим компонентом, предусмотренной (-ым) в нагнетательной камере (5).

11. Газотурбинная установка (1) по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что

демпфер (10) имеет концевую часть (23), обращенную к передней панели (8),

передняя панель (8) имеет отверстие (25),

концевая часть (23) расширяется на конус;

концевая часть (23) вставлена в отверстие (25),

между концевой частью (23) и отверстием (25) образован зазор (26),

зазор (26) образует расходящееся сопло для отвода воздушного потока от демпфера (10).

12. Газотурбинная установка (1) по п.11, отличающаяся тем, что зазор (26) образует дросселирующее сопло, которое ускоряет воздушный поток, проходящий через него.