Акустическое демпфирующее устройство для камеры сгорания
Акустическое демпфирующее устройство для камеры сгорания содержит внутреннюю оболочку и наружную оболочку. Внутренняя оболочка выполнена с возможностью использования при первой температуре при работе. Наружная оболочка выполнена с возможностью работы при второй температуре, ниже, чем первая температура при работе. Акустическое демпфирующее устройство содержит также множество гибких пластинок и по меньшей мере один полый корпус с внутренним объемом, причем каждый из полых корпусов прикреплен к одной из множества гибких пластинок. При этом акустическое демпфирующее устройство выполнено с возможностью прикрепления как к внутренней оболочке, так и к наружной оболочке так, что внутренний объем по меньшей мере одного полого корпуса сообщается с камерой, образованной внутренней оболочкой. Множество гибких пластинок компенсирует расширение и сжатие внутренней оболочки относительно наружной оболочки. Изобретение направлено на уменьшение колебаний волн давления в камере сгорания, а также позволяет минимизировать потери давления в охлаждающем воздушном потоке. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 8 ил.
ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
По данной заявке испрашивается приоритет по предварительной заявке на патент США № 61/698958, поданной 10 сентября 2012 г. в Патентное ведомство США, описание которой в ее полном объеме включено сюда путем ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к акустическому демпфирующему устройству для камеры сгорания, такой как трубчатая камера сгорания газовой турбины.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известные трубчатые камеры сгорания для газовых турбин могут включать в себя внутреннюю оболочку и наружную оболочку. По меньшей мере часть воздуха, сжатого посредством компрессорной части газовой турбины, проходит между внутренней и наружной оболочками и служит для снижения температуры внутренней оболочки. Затем сжатый воздух смешивается с топливом, и топливно-воздушная смесь воспламеняется. Данное горение происходит в пределах пространства, образуемого внутренней оболочкой.
В некоторых конструкциях, внутренняя оболочка выполнена из двух участков: расположенной выше по потоку жаровой части и расположенной ниже по потоку переходной части. Жаровая и переходная части соединены посредством аксиального уплотнения, такого как кольцевое уплотнение, в области перекрытия между частями. Горение происходит преимущественно в пределах расположенной выше по потоку жаровой части, и горячий газ сгорания направляется посредством переходной части в турбинную часть газовой турбины. Таким образом, жаровая и переходная части обе непосредственно подвергаются воздействию горячего газа сгорания, кроме участка одной из частей, где они перекрываются в кольцевом уплотнении. В этом месте разница температур между внутренней и наружной оболочками меньше, чем в других участках, поскольку наружная часть внутренней оболочки в данном участке нагревается меньше, чем в других участках. Поэтому на участке кольцевого уплотнения внутреннюю оболочку обычно прикрепляют к наружной оболочке так, чтобы можно было использовать относительно простую соединительную конструкцию, от которой не требуется компенсировать расширение и сжатие внутренней оболочки относительно наружной оболочки.
Для уменьшения выбросов NOx при работе могут быть использованы способы сжигания бедной предварительно приготовленной смеси. Однако это может увеличивать колебания волны давления в камере сгорания в результате неустойчивостей в скорости горения. Если не принимать надлежащие меры, то это может вызывать шум и вибрацию, при которых возможно повреждение камер сгорания. Для решения данной проблемы в трубчато-кольцевых камерах сгорания было предложено прикреплять к переходной части демпфирующие блоки с множеством наконечников, например в патенте США № 6530221 В1, описание которого включено в его полном объеме в данный документ посредством ссылки. Многоэлементный демпфер, расположенный вокруг трубчатой камеры сгорания, был предложен также в публикации заявки США № 2011/02204333, содержание которой в ее полном объеме также включено сюда путем ссылки.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предложено акустическое демпфирующее устройство для камеры сгорания, которая содержит внутреннюю оболочку, выполненную с возможностью использования при первой температуре при работе, и наружную оболочку, выполненную с возможностью работы при второй температуре, ниже, чем первая температура, при работе, причем акустическое демпфирующее устройство содержит: множество гибких пластинок; и по меньшей мере один полый корпус с внутренним объемом, каждый из которых прикреплен к одной из множества гибких пластинок, при этом акустическое демпфирующее устройство выполнено с возможностью прикрепления как к внутренней оболочке, так и к наружной оболочке так, что внутренний объем по меньшей мере одного полого корпуса сообщается с камерой, образованной внутренней оболочкой, причем множество гибких пластинок компенсирует расширение и сжатие внутренней оболочки относительно наружной оболочки.
Предложена также камера сгорания, содержащая: внутреннюю оболочку, выполненную с возможностью работы при первой температуре; наружную оболочку, выполненную с возможностью работы при второй температуре, ниже, чем первая температура; и акустическое демпфирующее устройство, которое соединяет внутреннюю оболочку с наружной оболочкой.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут понятными из приведенного ниже описания примерных вариантов осуществления, при его прочтении вместе с чертежами, в которых одинаковые корпусы обозначены одинаковыми ссылочными позициями и на которых:
Фиг.1 изображает вид в разрезе примерной камеры сгорания;
Фиг.2 изображает вид в разрезе примерного демпфирующего устройства;
Фиг.3 изображает общий вид примерной переходной части внутренней оболочки и акустического демпфирующего устройства;
Фиг.4-7 изображают примерные расположения гибких пластинок и полых корпусов в примерных акустических демпфирующих устройствах;
Фиг.8 изображает примерные формы поперечного сечения примерных полых корпусов.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1 и 2 показано акустическое демпфирующее устройство 20 для камеры 10 сгорания, которая содержит внутреннюю оболочку 30, выполненную с возможностью использования при первой температуре при работе, и наружную оболочку 40, выполненную с возможностью использования при второй температуре, ниже, чем первая температура, при работе. Акустическое демпфирующее устройство 20 включает в себя множество гибких пластинок 60 и по меньшей мере один полый корпус 70 с внутренним объемом, причем каждый из полых корпусов 70 прикреплен к одной из множества гибких пластинок 60. Акустическое демпфирующее устройство 20 выполнено с возможностью прикрепления как к внутренней оболочке 30, так и к наружной оболочке 40 таким образом, что внутренний объем по меньшей мере одного полого корпуса 70 сообщается с камерой, образованной внутренней оболочкой 30, и множество гибких пластинок 60 компенсируют расширение и сжатие внутренней оболочки 30 относительно наружной оболочки 40.
Множество гибких пластинок 60 могут быть прикреплены на одном своем конце к наружной оболочке 40. По меньшей мере один полый корпус 70 может быть прикреплен к одной из множества гибких пластинок 60 на закрытом конце 70b полого корпуса 70. По меньшей мере один полый корпус 70 может содержать открытый конец 70а, расположенный радиально внутри от закрытого конца 70b и выполненный с возможностью прикрепления к внутренней оболочке 30 по меньшей мере на одном отверстии во внутренней оболочке 30. По меньшей мере один полый корпус 70 может быть прикреплен к одной из множества гибких пластинок 60 на поверхности гибкой пластинки 60, обращенной к внутренней оболочке 30. Может быть предусмотрено множество таких гибких пластинок 60, разнесенных в круговом направлении.
Один или несколько полых корпусов 70 могут иметь форму поперечного сечения, выбранную из группы, состоящей из: круга, квадрата, прямоугольника и каплеобразной формы. Другие пригодные формы, конечно, могут быть выбраны и будут очевидны для специалистов в данной области техники. Кроме того, полые корпусы 70 могут иметь одинаковый внутренний объем или могут иметь разные внутренние объемы. Множество полых корпусов 70 могут быть прикреплены к одной из множества гибких пластинок 60 в одинаковых или разных относительных осевых или круговых положениях на одной из множества гибких пластинок 60. Кроме того, количество, размеры и форма воздушных каналов, соединяющих внутренние объемы полых корпусов 70 с камерой, образованной внутренней оболочкой 30, могут быть разными.
На фиг.1 показана примерная камера 10 сгорания, которая может содержать внутреннюю оболочку 30, выполненную с возможностью работы при первой температуре, наружную оболочку 40, выполненную с возможностью работы при второй температуре, ниже, чем первая температура, и акустическое демпфирующее устройство 20, которое соединяет внутреннюю оболочку 30 с наружной оболочкой 40. Внутренняя оболочка 30 камеры сгорания может включать в себя жаровую часть 30а и переходную часть 30b, расположенную ниже по потоку от жаровой части 30а относительно направления потока газа при работе, при этом акустическое демпфирующее устройство 20 расположено ниже по потоку от области перекрытия между жаровой частью 30а и переходной частью 30b. Камера 10 сгорания может включать в себя топливную форсунку для впрыскивания топлива в поток сжатого воздуха в камере сгорания для образования топливно-воздушной смеси и воспламенитель для воспламенения топливно-воздушной смеси.
В примерном варианте осуществления, пространство между внутренней оболочкой 30 и наружной оболочкой 40 выполнено с возможностью приема воздуха, сжатого посредством компрессорной части газовой турбины. Данный воздушный поток может способствовать уменьшению температуры внутренней оболочки 30. В пространстве, образуемом внутренней оболочкой 30, сжатый воздух смешивается с топливом, и топливно-воздушная смесь воспламеняется и направляется в турбинную часть газовой турбины. Поэтому внутренняя оболочка 30 выполнена с возможностью использования при более высокой температуре, чем наружная оболочка 40.
В примерном варианте осуществления, показанном на фиг.1-3, в котором внутренняя оболочка 30 состоит из жаровой части 30а и переходной части 30b, расположенной ниже по потоку от жаровой части 30а относительно направления потока газа при работе, жаровая часть 30а и переходная часть 30b соединены в области их перекрытия посредством аксиального уплотнения 50, например кольцевого уплотнения. Горение может происходить преимущественно в пределах жаровой части 30а, и горячий газ горения может быть направлен посредством переходной части 30b в турбинную часть газовой турбины. Таким образом, жаровая и переходная части 30а и 30b обе могут подвергаться воздействию горячего газа горения, кроме участка одной из частей, где они перекрываются в кольцевом уплотнении 50. Полые корпусы 70 способны эффективно обеспечить демпфирующие объемы и способны работать как резонаторы Гельмгольца, когда они расположены ниже по потоку от кольцевого уплотнения 50. При наличии гибких пластинок 60 и полых корпусов 70, расположенных ниже по потоку от аксиального уплотнения 50 и таким образом соединяющих горячую часть внутренней оболочки 30 с относительно холодной наружной оболочкой 40, гибкие пластинки 60 способны обеспечить результирующее относительное перемещение при работе в неустановившемся режиме, таком как пуск, останов или изменение нагрузки, во время которого рабочие температуры могут изменяться. Кроме того, гибкие пластинки 60 могут быть выполнены за одно целое с участком наружной оболочки 40, который образует кольцо 80, которое обеспечивает прикрепление камеры 10 сгорания к корпусу турбины.
Полые корпусы 70 обеспечивают демпфирующие объемы и способны работать как резонаторы Гельмгольца. На фиг.4-8 показаны различные примерные формы полых корпусов 70 и расположения гибких пластинок 60. Например, могут быть использованы различные формы поперечного сечения полых корпусов, такие как квадратная, прямоугольная, круглая, каплеобразная, которые показаны на фиг.8. Данные формы и/или расположения могут быть оптимизированы для передачи тепла или для минимального сопротивления потоку охлаждающего воздуха, направляемого через пространство между внутренней оболочкой 30 и наружной оболочкой 40, и могут быть расположены в шахматном порядке, как показано на фиг.5 и 6, чтобы минимизировать потери давления в охлаждающем воздушном потоке, например чтобы минимизировать возможность турбулентного следа, образуемого в охлаждающем воздушном потоке. На фиг.7 показано, что различные формы или размеры отверстий в полых корпусах могут быть использованы таким образом, чтобы полый корпус 70с, например, был оптимизирован для одних частот, а полый корпус 70d - для других частот. Например, могут быть учтены высокочастотные пульсации в диапазоне приблизительно 1-10 кГц, а также низкочастотные пульсации в диапазоне приблизительно 50-500 Гц. Кроме того, наличие акустического демпфирующего устройства 20 между внутренней и наружной оболочками способно устранить необходимость в другом устройстве, образующем неподвижную конструкцию между оболочками.
Частота резонанса примерного полого корпуса может быть вычислена по следующей формуле: fres = c/2/pi*sqrt(Aneck/Lneck,eff/Vdamper), где fres - частота резонанса, с - скорость звука, Vdamper - демпфирующий объем, Aneck - площадь поперечного сечения канала, соединяющего демпфирующий объем с каналом горячего газа, и Lneck,eff - эффективная длина канала, соединяющего демпфирующий объем с каналом горячего газа. В примерном варианте осуществления длина наконечника находится в пределах 3-15 мм, а диаметр наконечника находится в пределах 1-10 мм, хотя данные размеры в принципе могут быть разными.
В примерном варианте осуществления акустическое демпфирующее устройство выполнено из жаропрочных термостойких сплавов (на основе никеля), таких как Haynes 230, Haynes 282, Hasteloy Х или Iconel. Возможны также сочетания материалов, например сталь типа 18-8 для объема и высококачественный сплав для наконечника, который находится в контакте с горячим газом.
Специалистам в данной области техники следует понимать, что настоящее изобретение может быть осуществлено в других конкретных вариантах без отхода от его сущности или существенных характеристик. Таким образом, описанные в данном документе примерные варианты осуществления следует рассматривать во всех аспектах как пояснительные и не ограничивающие.
1. Акустическое демпфирующее устройство для камеры сгорания, содержащей внутреннюю оболочку, выполненную с возможностью использования при первой температуре при работе, и наружную оболочку, выполненную с возможностью работы при второй температуре, ниже, чем первая температура при работе, причем акустическое демпфирующее устройство содержит:
множество гибких пластинок; и
по меньшей мере один полый корпус с внутренним объемом, каждый из которых прикреплен к одной из множества гибких пластинок,
при этом акустическое демпфирующее устройство выполнено с возможностью прикрепления как к внутренней оболочке, так и к наружной оболочке так, что внутренний объем по меньшей мере одного полого корпуса сообщается с камерой, образованной внутренней оболочкой, причем множество гибких пластинок компенсирует расширение и сжатие внутренней оболочки относительно наружной оболочки.
2. Акустическое демпфирующее устройство по п.1, в котором множество гибких пластинок выполнены с возможностью прикрепления на одном своем конце к наружной оболочке.
3. Акустическое демпфирующее устройство по п.1, в котором по меньшей мере один полый корпус прикреплен к одной из множества гибких пластинок на закрытом конце по меньшей мере одного полого корпуса.
4. Акустическое демпфирующее устройство по п.3, в котором по меньшей мере один полый корпус содержит открытый конец, расположенный радиально внутри от закрытого конца и выполненный с возможностью прикрепления к внутренней оболочке по меньшей мере на одном отверстии во внутренней оболочке.
5. Акустическое демпфирующее устройство по п.1, в котором по меньшей мере один полый корпус прикреплен к одной из множества гибких пластинок на поверхности одной из множества гибких пластинок, обращенной к внутренней оболочке.
6. Акустическое демпфирующее устройство по п.1, в котором по меньшей мере один полый корпус имеет форму поперечного сечения, выбранную из группы, состоящей из: круга, квадрата, прямоугольника и каплеобразной формы.
7. Акустическое демпфирующее устройство по п.1, в котором множество полых корпусов прикреплены к одной из множества гибких пластинок.
8. Акустическое демпфирующее устройство по п.7, в котором множество полых корпусов имеют одинаковый внутренний объем.
9. Акустическое демпфирующее устройство по п.7, в котором множество полых корпусов имеют разные внутренние объемы.
10. Акустическое демпфирующее устройство по п.7, в котором множество полых корпусов прикреплены к одной из множества гибких пластинок в разных относительных аксиальных положениях на одной из множества гибких пластинок.
11. Акустическое демпфирующее устройство по п.7, в котором множество полых корпусов прикреплены к одной из множества гибких пластинок в разных относительных круговых положениях на одной из множества гибких пластинок.
12. Акустическое демпфирующее устройство по п.1, в котором множество полых корпусов прикреплены к множеству гибких пластинок в одинаковых относительных круговых положениях и разных относительных аксиальных положениях на множестве гибких пластинок.
13. Камера сгорания, содержащая:
внутреннюю оболочку, выполненную с возможностью работы при первой температуре;
наружную оболочку, выполненную с возможностью работы при второй температуре, ниже, чем первая температура; и
акустическое демпфирующее устройство, которое соединяет внутреннюю оболочку с наружной оболочкой.
14. Камера сгорания по п.13, в которой внутренняя оболочка содержит:
жаровую часть; и
переходную часть, расположенную ниже по потоку от жаровой части относительно направления потока газа при работе,
при этом акустическое демпфирующее устройство расположено ниже по потоку от области перекрытия между жаровой частью и переходной частью.
15. Камера сгорания по п.13, в которой
акустическое демпфирующее устройство содержит множество гибких пластинок и по меньшей мере один полый корпус с внутренним объемом, каждый из которых прикреплен к одной из множества гибких пластинок, и
акустическое демпфирующее устройство прикреплено как к внутренней оболочке, так и к наружной оболочке так, что внутренний объем по меньшей мере одного полого корпуса сообщается с камерой, образованной внутренней оболочкой, причем множество гибких пластинок компенсирует расширение и сжатие внутренней оболочки относительно наружной оболочки.
16. Камера сгорания по п.15, в которой множество гибких пластинок прикреплены на одном своем конце к наружной оболочке.
17. Камера сгорания по п.15, в которой по меньшей мере один полый корпус прикреплен к одной из множества гибких пластинок на закрытом конце по меньшей мере одного полого корпуса.
18. Камера сгорания по п.15, в которой по меньшей мере один полый корпус содержит открытый конец, расположенный радиально внутри от закрытого конца и прикрепленный к внутренней оболочке по меньшей мере на одном отверстии во внутренней оболочке.
19. Камера сгорания по п.15, в которой по меньшей мере один полый корпус прикреплен к одной из множества гибких пластинок на поверхности одной из множества гибких пластинок, которая обращена к внутренней оболочке.
