Устройство резонатора для демпфирования колебаний давления в камере сгорания и способ для управления системой сгорания

Авторы патента:


Устройство резонатора для демпфирования колебаний давления в камере сгорания и способ для управления системой сгорания
Устройство резонатора для демпфирования колебаний давления в камере сгорания и способ для управления системой сгорания
Устройство резонатора для демпфирования колебаний давления в камере сгорания и способ для управления системой сгорания
Устройство резонатора для демпфирования колебаний давления в камере сгорания и способ для управления системой сгорания
Устройство резонатора для демпфирования колебаний давления в камере сгорания и способ для управления системой сгорания

 


Владельцы патента RU 2569786:

СИМЕНС АКЦИЕНГЕЗЕЛЛЬШАФТ (DE)

Устройство резонатора, предназначенное для демпфирования колебаний давления в камере сгорания, содержит контейнер, заполненный газом, отверстие в контейнере и нагревательный элемент, выполненный с возможностью генерировать пламя. Пламя предназначено для нагрева газа в контейнере. Нагревательный элемент выполнен с возможностью генерирования пламени и быстрого изменения температуры газа, заполняющего контейнер, и соответственно быстрого изменения резонансной частоты устройства резонатора. Изобретение направлено на гашение колебаний газа на различных режимах работы, а также на увеличение производительности камеры сгорания, используя только один резонатор, вместо нескольких различных устройств резонатора, каждый из которых настроен на различные режимы работы камеры сгорания. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройству резонатора для демпфирования колебаний давления в камере сгорания и к способу управления системой сгорания. В частности настоящее изобретение относится к устройству резонатора для демпфирования колебаний давления в камере сгорания, которая может быть отрегулирована, чтобы демпфировать колебание, имеющее частоту, которая изменяется после изменения условий работы камеры сгорания. Дополнительно, настоящее изобретение относится к способу работы системы сгорания предусматривающему демпфирование колебаний давления в камере сгорания, регулируемое для других условий работы камеры сгорания.

Уровень техники

В камере сгорания, такой как камера сгорания газовой турбины, сгорает смесь топлива и сжатого воздуха. Таким образом, сжатый воздух и топливо подают в камеру сгорания, и продукт сгорания удаляют из камеры сгорания, получая поток материала. Из-за подачи топлива и сжатого газа и по мере падения давления продукта сгорания в камере сгорания возбуждаются колебания, которые могут быть охарактеризованы частотой колебаний давления. Частота колебаний давления может, в частности, зависеть от массы и/или скорости потока подаваемого топлива и подаваемого сжатого воздуха, а так же от массы и/или скорости потока удаляемого продукта сгорания, и может также зависеть от конфигурации камеры сгорания. Типичные частоты колебаний давления могут находиться в диапазоне между 50 Гц и 1500 Гц, в частности, около приблизительно 100 Гц.

Эти колебания давления оказывают негативное влияние на работу камеры сгорания, в частности, на эффективность газовой турбины, содержащей камеру сгорания. Для демпфирования колебаний давления в камере сгорания известно соединение, так называемого, резонатора Гельмгольца с камерой сгорания, так, что внутренняя часть резонатора Гельмгольца соединяется сообщаясь с пространством сгорания, определенным камерой сгорания.

Из DE 102005052881 A1 известно нагревательное устройство, включающее в себя камеру сгорания, в котором камера сгорания, соединена с каналом потока, который соединен с резонатором Гельмгольца для демпфирования колебаний давления. Температура газа, содержащегося в резонаторе Гельмгольца, может изменяться для адаптации рабочей частоты резонатора Гельмгольца к колебаниям в камере сгорания.

В EP 0974788 A1 раскрыт резонатор Гельмгольца с компоновкой сопла для генерирования смеси воздуха и жидкости перед подачей в канал потока для демпфирования колебаний в канале потока.

В GB 2288660 A раскрыто устройство для демпфирования термоакустических колебаний в камере сгорания газовой турбины, в котором резонатор Гельмгольца, соединен с камерой сгорания для демпфирования колебаний в камере сгорания. Этот документ также раскрывает систему управления, которая управляет нагревательным элементом для нагрева газа в резонаторе Гельмгольца на основе сдвига фаз двух давлений, измеренных в камере сгорания и в резонаторе Гельмгольца, соответственно.

Выше было отмечено, что камера сгорания, может работать неудовлетворительно при изменяющихся условиях работы. Может возникнуть потребность в устройстве резонатора, которое пригодно для демпфирования колебаний давления в камере сгорания, которое, в частности, адаптируемо для разных условий работы камеры сгорания. В частности, может потребоваться устройство резонатора, которое соответствует для демпфирования колебаний давления на разных частотах, которые быстро изменяются по времени и может потребоваться способ работы системы сгорания в разных условиях работы.

Сущность изобретения

Эта потребность может быть удовлетворена в соответствии с предметом изобретения по независимым пунктам формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

В соответствии с вариантом осуществления предусмотрено устройство резонатора для демпфирования колебаний давления в камере сгорания, в котором устройство резонатора содержит контейнер, заполненный газом; отверстие в контейнере; и нагревательный элемент, выполненный с возможностью генерировать пламя, в котором пламя предназначено для нагрева газа в контейнере.

Камера сгорания может, в частности, представлять собой камеру сгорания газовой турбины. Устройство резонатора может быть выполнено с возможностью соединения с камерой сгорания так, что отверстие в контейнере предусматривает сообщение между внутренней частью камеры сгорания и внутренней частью контейнера. В зависимости от конфигурации контейнера, типа газа, заполняющего контейнер, температуры газа, заполняющего контейнер, давления газа, заполняющего контейнер, и/или конфигурации отверстия в контейнере, у устройства резонатора может быть некоторая резонансная частота, представляющая частоту колебаний давления, происходящих в устройстве резонатора во время резонанса.

В частности контейнер может содержать участок корпуса и участок горлышка, соединенный с участком корпуса, в котором участок горлышка представляет собой сужение и имеет отверстие на дистальном конце горлышка относительно участка корпуса. В частности, также конфигурация, в частности, эффективная длина горлышка и объем участка корпуса и участка горлышка, и/или площадь поперечного сечения участка горлышка могут влиять на резонансную частоту устройства резонатора. В частности, устройство резонатора может функционировать как резонатор Гельмгольца для демпфирования колебания давления.

Нагревательный элемент может быть соединен с контейнером (либо с участком корпуса или с участком горлышка контейнера) так, что, пламя, генерируемое нагревательным элементом, нагревает газ внутри контейнера. Устройство резонатора может содержать один или больше нагревательных элементов, скомпонованных в разных положениях.

В частности пламя, генерируемое нагревательным элементом, может обеспечивать, например, используя материал потоковой подачи, конвекцию газа, заполняющего контейнер так, чтобы вариации температуры в разных местоположениях в контейнере быстро балансировались, чтобы обеспечить однородное, или, по меньшей мере, приблизительно однородное распределение температуры в пределах контейнера. Благодаря установке нагревательного элемента, выполненного с возможностью генерировать пламя, температура газа, заполняющего контейнер, может быть быстро изменена, таким образом, быстро изменяя резонансную частоту устройства резонатора. Таким образом, устройство резонатора позволяет демпфировать колебания давления в камере сгорания в разных условиях работы. Таким образом, эффективность камеры сгорания, оборудованной устройством резонатора, может быть улучшена. Дополнительно, нет необходимости предусматривать другие устройства резонатора для других условий работы камеры сгорания.

В соответствии с вариантом осуществления нагревательный элемент выполнен с возможностью генерировать пламя, используя горение в плазменной среде. Краткий обзор технологии сгорания в плазменной среде представлен в публикации "Plasma Assisted Combustion Technologies" by Matveev, S. Matveeva, E. Kirchuk, Proceedings of the European Combustion Meeting 2009 и на веб-сайте http://www.plasmacombustion.com/iwepac.html. При сгорании в плазменной среде формируется плазма, например, в результате приложения высокого электрического поля, установленного между двумя электродами, которая поддерживает горение топлива. Кроме того, процесс сгорания может быть ограничен или локализован в пределах небольшого объема при размещении потока газа, в частности, в виде спирального потока газа, окружающего ядро процесса сгорания. Процесс сгорания может также быть ограничен или локализован в пределах узкого пламени, получаемого в выходном отверстии, или в сопле устройства сгорания в плазменной среде. Технология сгорания в плазменной среде дополнительно отличается высокой тепловой энергией, высокой температурой пламени и высокой скоростью удаления из плазмы горящих материалов в устройствах сгорания в плазменной среде. Из-за большой тепловой энергии, высокой температуры пламени и возможности точного управления параметрами пламени резонансная частота устройства резонатора может быть быстро изменена для демпфирования колебания давления в камере сгорания в разных условиях работы.

В соответствии с вариантом осуществления пламя содержит поток газа, имеющий скорость от 25 м/с до 500 м/с, в частности, от 50 м/с до 300 м/с. В частности, нагревательный элемент может быть выполнен с возможностью генерировать пламя содержащее протекающий газ, имеющий скорость от 25 м/с до 500 м/с, более конкретно от 50 м/с до 300 м/с. Благодаря высокой скорости раскаленных и горячих материалов, составляющих пламя, тепловая энергия, находящаяся в пределах пламени, быстро распределяется по контейнеру устройства резонатора, в результате конвекции. Таким образом, резонансная частота устройства резонатора может быстро изменяться так, чтобы соответствовать разным условиям работы в камере сгорания.

В соответствии с вариантом осуществления нагревательный элемент обеспечивает (либо выполнен с возможностью обеспечения, или выполнен с возможностью подачи) тепловую энергию от 0,01 кВт до 3 кВт, в частности, от 0,1 кВт до 3 кВт, в частности, от 1 кВт до 3 кВт. Благодаря такой высокой тепловой энергии нагревательного элемента, газ внутри контейнера быстро изменяет свою температуру при нагреве нагревательного элемента. Таким образом, устройство резонатора особенно пригодно для значительного изменения температуры газа внутри контейнера, что, в свою очередь, обеспечивает возможность значительного изменения скорости звука газа внутри контейнера, что, в свою очередь, позволяет значительно изменять резонансную частоту устройства резонатора.

В соответствии с вариантом осуществления пламя имеет температуру от 500°C до 3000°C. В частности, нагревательный элемент физически выполнен с возможностью (или выполнен таким образом) генерировать пламя с температурой от 500°C до 3000°C. Под температурой пламени понимают, определение температуры материала в области объема, определенной материалом, излучающим свет пламени, в котором происходят химические реакции. Таким образом, устройство резонатора выполнено с возможностью демпфирования колебаний давления, имеющих большой диапазон частот.

В соответствии с вариантом осуществления нагревательный элемент содержит обратный вихревой плазменный генератор. Обратный вихревой плазменный генератор, в частности, может содержать цилиндрический контейнер, в пределах которого генерируется, так называемый, обратный вихревой поток (то есть, спиральный поток в направлении, обратном направлению осевого потока смеси топлива и воздуха) первого газа (например, воздуха). Дополнительно, второй газ (например, воздух и топливо) может быть подан с одного торца цилиндрического контейнера вдоль осевого направления (например, вдоль оси симметрии контейнера), который может, таким образом, быть ограничен или локализован рядом с осью симметрии контейнера. Как первый газ, так и второй газ могут быть ионизированы, и второй газ может спонтанно воспламеняться (или в результате приложения электрического поля) во время его протекания через цилиндр, в результате чего образуется пламя на выходе из цилиндра. В частности, пламя может состоять из раскаленного или горячего (химически реагирующего) материала, имеющего скорость от 50 м/с до 300 м/с.

В соответствии с вариантом осуществления нагревательный элемент выполнен с возможностью генерировать плазменный факел.

В соответствии с вариантом осуществления, вариант осуществления устройства резонатора состоит из системы сгорания, которая дополнительно содержит камеру сгорания для определения пространства горения для горения топлива, в котором контейнер устройства резонатора соединен с камерой сгорания таким образом, что внутренняя часть контейнера сообщается с пространством сгорания через отверстие устройства резонатора, в котором, в частности, устройство резонатора имеет резонансную частоту, равную частоте колебаний давления в камере сгорания в условиях нормальной нагрузки. В частности, резонансная частота может быть, по меньшей мере, приблизительно равна (то есть, по меньшей мере, с точностью до 10%, в частности, с точностью до 5% равна) частоте колебаний давления в камере сгорания при нормальных условиях нагрузки. Таким образом, резонансная частота устройства резонатора может быть определена, как резонансная частота, когда газ, заполняющий контейнер устройства резонатора, имеет температуру окружающей среды, в частности, температуру 50°C-15°C, в частности, температуру 20°C.

Под "нормальными условиями нагрузки" следует понимать режим работы, который не является запуском или остановкой работы газовой турбины. В частности, камера сгорания может работать с, по существу, немодифицируемой подачей топлива и имеет, по существу, неизменную температуру в течение длительного времени. "Нормальные условия нагрузки" могут определять режим работы, при котором камера сгорания имеет наибольшую эффективность. "Нормальные условия нагрузки" можно рассматривать, как установившееся состояние камеры сгорания и газовой турбины, во время которого необходимы только незначительные действия по управлению.

Пространство сгорания может быть акустически связано с внутренней частью контейнера устройства резонатора через отверстие таким образом, что колебание давления, возникающее в камере сгорания в ходе процесса сгорания или из-за подачи или потока воздуха и топлива, или из-за потока выпускаемого продукта сгорания, может быть передано в отверстие, вызывая возбуждение колебаний воздуха, заполняющего контейнер устройства резонатора. При этом может возникать сдвиг по фазе между колебаниями в камере сгорания и колебаниями в контейнере устройства резонатора таким образом, что колебания внутри камеры сгорания демпфируются, в частности, в результате ослабляющей интерференции с колебаниями внутри контейнера устройства резонатора. В результате возможности нагрева устройства резонатора его резонансная частота может быстро изменяться, что также демпфирует колебания давления в камере сгорания, возникающего в других условиях, чем нормальные условия нагрузки. Таким образом, камера сгорания может использоваться в широком диапазоне рабочих условий или условий нагрузки, не требуя больше, чем одного устройства резонатора.

В соответствии с вариантом осуществления, система сгорания дополнительно содержит зонд измерения давления, предназначенный для измерения колебаний давления в пространстве сгорания; зонд измерения температуры, предназначенный для измерения температуры газа внутри контейнера; и систему управления, выполненную с возможностью управления нагревательным элементом на основе измеряемых колебаний давления в пространстве сгорания и измеряемой температуры внутри контейнера.

Зонд для измерения давления может представлять собой любой датчик для определения колебаний давления. В частности, один или больше зонда (зондов) для измерения давления может быть установлен в одном или больше местах внутри пространства сгорания. Отверстие устройства резонатора, в частности, расположенное на дистальном конце участка горлышка устройства резонатора, может быть размещено и может быть соединено с камерой сгорания в месте, где происходят наибольшие колебания давления внутри камеры сгорания. Таким образом, эффективность функции демпфирования устройства резонатора может быть оптимизирована. Дополнительно, или в качестве альтернативы, оптимальное место размещения устройства резонатора, в частности, оптимальное место размещения отверстия устройства резонатора, обеспечивающее сообщение между контейнером устройства резонатора и камерой сгорания, может быть выведено в результате компьютерного моделирования всей системы сгорания, камеры сгорания или с помощью экспериментальных тестов.

Зонд для измерения температуры может представлять собой любой датчик для измерения температуры. Один или больше зондов для измерения температуры могут быть установлены в одном или больше местах внутри контейнера, обеспечивая возможность измерения распределения температуры в контейнере.

Система управления может быть соединена с одним или больше зондами измерения давления, с одним или больше зондами измерения температуры и с нагревательным элементом для считывания измеренных значений и передачи сигналов управления в нагревательный элемент, для регулирования тепловой энергии, температуры пламени нагревательного элемента и/или других параметров нагревательного элемента. Система управления может содержать модуль обработки, предназначенный для обработки измеренных значений и, в частности, для вывода частоты колебаний давления в пространстве сгорания. Дополнительно, система управления может содержать программный код в модуле обработки для вывода температуры газа в пределах контейнера, для которого устройство резонатор имеет конкретную резонансную частоту, в частности, частоту колебаний давления внутри пространства сгорания, измеряемую, используя один или больше зондов для измерения давления. Система управления может дополнительно содержать модуль сохранения для сохранения параметров системы и программного кода.

В соответствии с вариантом осуществления, система управления выполнена с возможностью управления нагревательным элементом для изменения температуры газа внутри контейнера, когда камера сгорания работает в условиях, отличающихся от условий нормальной нагрузки, таким образом, что частота колебаний давления внутри пространства сгорания равна (в частности, по меньшей мере, приблизительно равна, в частности, по меньшей мере, в пределах точности 10%, в частности, равна в пределах точности 5%) резонансной частоте контейнера, заполненного газом, изменяющейся в результате изменения температуры газа внутри контейнера. Таким образом, колебания давления в камере сгорания могут быть эффективно демпфированы с помощью устройства резонатора, даже в разных условиях нагрузки камеры сгорания. Таким образом, камера сгорания может оптимизировано работать в разных рабочих условиях.

В соответствии с вариантом осуществления, предусмотрен способ работы системы сгорания, в котором способ содержит: сжигают топливо в пространстве сгорания, определенном камерой сгорания; генерируют колебания давления в камере сгорания, в частности, путем сжигания топлива; генерируют пламя, используя нагревательный элемент для нагрева газа в контейнере, связанном с камерой сгорания, и при этом внутренняя часть контейнера сообщается с камерой сгорания через отверстие в контейнере; и демпфируют колебания давления внутри камеры сгорания. Колебания давления внутри камеры сгорания, в качестве альтернативы или в дополнение, могут генерироваться потоком топлива и/или воздуха, подаваемого в камеру сгорания. Демпфирование колебаний давления внутри камеры сгорания может возникать в результате акустической связи между пространством сгорания и внутренней частью контейнера устройства резонатора. Таким образом, частота колебаний давления в камере сгорания может, по меньшей мере, приблизительно соответствовать резонансной частоте устройства резонатора, сформированного контейнером и отверстием в контейнере, в котором такая резонансная частота устройства резонатора может зависеть от температуры газа внутри контейнера.

В соответствии с вариантом осуществления способ работы системы сгорания дополнительно содержит: измеряют колебания давления в пространстве сгорания, используя зонд измерения давления; измеряют температуру газа в контейнере, используя зонд измерения температуры; и управляют нагревательным элементом на основе измеренных колебаний давления и измеренной температуры, используя систему управления. Таким образом, в частности, нагревательным элементом можно управлять так, чтобы резонансная частота устройства резонатора, по меньшей мере, приблизительно соответствовала частоте колебаний давления в пределах пространства сгорания.

В соответствии с вариантом осуществления способ работы системы сгорания дополнительно содержит: управляют нагревательным элементом для изменения температуры газа внутри контейнера, когда камерой сгорания управляют в условиях, отличающихся от нормальных условий нагрузки так, что частота (изменившаяся по сравнению с частотой в условиях нормальной нагрузки) колебаний давления внутри пространства сгорания равна (в частности, по меньшей мере, приблизительно равна, в частности равна, по меньшей мере, в пределах точности 10%, 5%) резонансной частоте контейнера, изменившейся после изменения температуры газа внутри контейнера. Таким образом, колебания давления в камере сгорания могут быть эффективно демпфированы устройством резонатора даже в условиях изменившейся нагрузки в камере сгорания.

В соответствии с вариантом осуществления способ работы системы сгорания дополнительно содержит этап на котором увеличивают температуру газа внутри контейнера со скоростью, по меньшей мере, 50°C в секунду. В результате изменения температуры газа внутри контейнера с такой высокой скоростью, резонансная частота устройства резонатора может быстро изменяться, что обеспечивает возможность, соответственно, быстро изменять нагрузку камеры сгорания при постоянном демпфировании колебаний давления внутри камеры сгорания.

Следует отметить, что варианты осуществления изобретения были описаны со ссылкой на разные предметы изобретения.

В частности, некоторые варианты осуществления были описаны со ссылкой на пункты формулы изобретения, направленные на способ, тогда как другие варианты осуществления были описаны со ссылкой на пункты формулы изобретения, направленные на устройство. Однако для специалиста в данной области техники из приведенного выше и следующего описания, будет понятно, если только не будет указано другое, что в дополнение к любой комбинации свойств, принадлежащих одному типу предмета изобретения, также любая комбинация между свойствами, относящимися к разным предметам изобретения, в частности, между свойствами пунктов формулы изобретения, направленными на способ, и свойствами пунктов формулы изобретения, направленными на устройство, рассматривается, как раскрытая в пределах данного документа.

Аспекты, определенные выше, и дополнительные аспекты настоящего изобретения, будут понятны из примеров варианта осуществления, которые будут описаны ниже, и поясняются со ссылкой на примеры варианта осуществления. Изобретение будет описано более подробно ниже со ссылкой на примеры варианта осуществления, но которым изобретение не ограничено.

Краткое описание чертежей

Варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны ниже со ссылкой на приложенные чертежи.

На фиг.1 схематично показано устройство резонатора в соответствии с вариантом осуществления.

На фиг.2 схематично показан обратный вихревой плазменный генератор, который может использоваться в качестве нагревательного элемента в устройстве резонатора, представленного на фиг.1 в соответствии с вариантом осуществления.

На фиг.3 схематично показана система сгорания в соответствии с вариантом осуществления и способ работы системы сгорания в соответствии с вариантом осуществления.

Подробное описание изобретения

Иллюстрация на чертежах является схематичной. Следует отметить, что на разных чертежах, аналогичные или идентичные элементы обозначены одинаковыми номерами ссылочных позиций или номерами ссылочных позиций, которые отличаются от соответствующих номеров ссылочных позиций только первой цифрой.

На фиг.1 схематично представлено устройство 101 резонатора предназначенное для демпфирования колебаний давления в камере сгорания. Устройство 101 резонатора содержит контейнер 102, который заполнен газом, таким как воздух, и содержит нагревательный элемент 103, который выполнен, как обратный вихревой плазменный генератор. Контейнер 102 устройства резонатора содержит участок 104 корпуса и участок 105 горлышка. Участок 104 корпуса содержит цилиндрический контейнер, который соединен с возможностью сообщения с участком 105 горлышка, который также имеет цилиндрическую форму, но имеет намного меньший диаметр D2, по сравнению с диаметром D1 участка 4 корпуса устройства 101 резонатора. Участок корпуса имеет длину L1, и участок горлышка имеет длину L2.

На дистальном конце участка 105 горлышка устройство 1 резонатора имеет отверстие 106, через которое устройство 1 резонатора может соединяться с возможностью сообщения с пространством сгорания камеры сгорания для демпфирования колебаний давления в камере сгорания.

Конфигурация устройства 101 резонатора управляет резонансной частотой f устройства резонатора в соответствии со следующей формулой:

со следующими обозначениями:

S - площадь поперечного сечения горлышка резонатора;

V - объем резонатора;

l' - эффективная длина горлышка резонатора, которая основана на геометрической длине L2 горлышка;

c - скорость звука.

Частота устройства резонатора может составлять, например, 100 Гц, когда газ, заполняющий контейнер 2, имеет температуру 20°C. Изменение температуры газа, заполняющего контейнер 102, изменяет, в результате изменения скорости c звука, резонансную частоту f устройства резонатора.

Для изменения температуры газа, заполняющего контейнер 102, обратный вихревой плазменный генератор 103 присоединен к внешней стенке участка 104 корпуса устройства 101 резонатора так, что пламя, генерируемое обратным вихревым плазменным генератором 103, продолжается во внутреннюю часть контейнера 102, нагревая газ, заполняющий контейнер 102. Таким образом, нагревательным элементом 103 управляют через шину 107 управления, которая соединена с системой 109 управления. Устройство 101 резонатора также оборудовано зондом 111 измерения температуры, предназначенным для измерения температуры газа, заполняющего контейнер 102. Сигнал, представляющий измеренную температуру, подают через шину 113 управления в систему 109 управления.

По требованию система 109 управления выполнена с возможностью регулировать резонансную частоту f устройства 101 резонатора путем регулирования температуры газа внутри контейнера 102, активируя нагревательный элемент 103 до тех пор, пока температура газа, заполняющего контейнер 102, измеряемая с помощью зонда 111 измерения температуры, не станет равной температуре, соответствующей требуемой резонансной частоте устройства 101 резонатора.

В других вариантах осуществления один или больше дополнительных нагревательных элементов могут быть прикреплены к устройству резонатора на участке 104 корпуса или на участке 105 горлышка для нагрева газа, заполняющего контейнер 102. В других вариантах осуществления один или больше дополнительных зондов измерения температуры могут быть размещены в разных местах расположения внутри контейнера 2 для измерения температуры заполняющего газа.

На фиг.2 схематично представлены принципы обратного вихревого плазменного генератора 203, который может использоваться в качестве нагревательного элемента 103 в устройстве 101 резонатора, представленного на фиг.1. Обратный вихревой плазменный генератор 203, показанный на фиг.2A, и 2B, содержит, по существу, цилиндрический контейнер 215, который содержит множество сопел 217, расположенных на одном торце цилиндра 215, окруженного цилиндрическим контейнером 215 вдоль окружности. Используя сопла 217, первый газ, такой как воздух, подают вдоль направления 216 в цилиндрический контейнер 215 для выполнения спиралевидного движения, обозначенного, как спираль, такая как линия 219, внутри контейнера 215.

В основании цилиндрического контейнера 215, противоположно торцу, на котором установлены сопла 217, второй газ подают вдоль осевого направления 221. Первый газ, поступающий вдоль направления 216, а также второй газ, поступающий вдоль направления 221, ионизируют, и второй газ, в частности, содержит воздух и топливо. Во время его прохода через цилиндрический контейнер 215, второй воздух воспламеняется, в котором процесс сгорания ограничен в пределах небольшого объема вокруг оси 223 симметрии цилиндрического контейнера 215. Пламя сгорающего первого газа выходит из цилиндрического контейнера 215 через отверстие 225 вдоль направления 227, по существу, параллельно оси 223 симметрии. Таким образом, сгорающий первый газ впрыскивают в участок 104 корпуса (не показан на фиг.2) устройства резонатора.

Как представлено на фиг.2B, первый газ, поступающий вдоль направления 216 через сопла 217, протекает радиально во внешний участок цилиндрического контейнера 215, в направлении, противоположном направлению 221 первого газа, но изменяет свое направление распространения на противоположное в определенном радиальном положении, ближе к оси 223 симметрии, таким образом, что для радиальных положений ближе к оси 223 симметрии, чем это конкретное радиальное положение, первый газ распространяется, по существу, в том же направлении, что и второй газ. Таким образом, эффективная тепловая изоляция процесса сгорания, ограниченного и локализованного внутри небольшого объема вокруг оси 223 симметрии от стенок контейнера 215, достигается таким образом, что на обратном вихревом плазменном генераторе 203 можно удерживать руку во время его работы.

Вместо использования обратного вихревого плазменного генератора 203 также можно использовать плазменный факел или другие устройства сгорания в плазменной среде, могут использоваться в качестве нагревательного элемента 103 в устройстве 101 резонатора, представленного на фиг.1.

На фиг.3 схематично показана система 329 сгорания и способ работы системы 329 сгорания в соответствии с вариантом осуществления. Система 329 сгорания содержит камеру 330 сгорания, определяющую пространство 331 сгорания, в пределах которого может происходить горение топлива. Через сопла 333 топлива сжатый воздух также подают в пространство 331 сгорания.

При подаче топлива и сжатого воздуха, так же, как после сгорания топлива, колебания давления сжатого воздуха возбуждаются в пределах пространства 331 сгорания, которые неблагоприятно воздействуют на работу системы 329 сгорания. Обычно эти колебания давления не генерируются преднамеренно, но они могут возникать по разным причинам. Чтобы демпфировать эти колебания давления, система 329 сгорания содержит устройство 301 резонатора, которое содержит контейнер 302, сформированный в виде корпуса 304 контейнера и участка горлышка 305 контейнера. Через отверстие на дистальном конце участка 305 горлышка внутренняя часть контейнера 302 соединяется так, что она сообщается с пространством 331 сгорания.

Система 309 управления соединена через линию 335 передачи данных с зондом 327 измерения давления, который измеряет давление внутри пространства 331 сгорания. Система 309 управления дополнительно выполнена с возможностью выводить частоту колебаний давления, измеренную в результате присутствия зонда 327 измерения давления, как обозначено на схеме 339, для которой показана амплитуда и частота колебаний давления, возникающих в камере 331 сгорания, в зависимости от их частоты f. Колебания частоты f0 имеют амплитуду, превышающую пороговое значение S, как обозначено на схеме 339. Система 309 управления выполнена с возможностью идентификации температуры в пределах устройства 301 резонатора таким образом, что устройство 301 резонатора имеет резонансную частоту, равную нежелательной частоте колебаний давления, измеренной внутри пространства 331 сгорания, которая равна f0. После идентификации целевой температуры устройства 301 резонатора, система 309 управления управляет двумя нагревательными элементами 303, прикрепленными к устройству 301 резонатора для нагрева газа, заполняющего контейнер 302, для регулирования его резонансной частоты до частоты f0. После нагрева газа, заполняющего контейнер 302 устройства 301 резонатора, устройство 301 резонатора изменяет свою резонансную частоту так, чтобы она была равна f0. Поскольку устройство 301 резонатора сообщается с пространством 331 сгорания через отверстие 306, устройство резонатора демпфирует колебания давления на частоте f0, возникающей в пространстве 331 сгорания. Температуру внутри устройства 301 резонатора измеряют через зонд 311 измерения температуры и соответствующий сигнал передают в систему 309 управления, которая может использоваться для регулировки по цепи обратной связи.

Следует отметить, что термин "содержащий" не исключает другие элементы или этапы, и артикли "a" или "an" не исключают множество. Также элементы, описанные в ассоциации с разными вариантами осуществления, могут быть скомбинированы. Следует также отметить, что знаки ссылочных позиций в формуле изобретения не следует рассматривать, как ограничение объема изобретения.

Для того чтобы резюмировать описанные выше варианты осуществления настоящего изобретения, можно отметить следующее:

Устройство резонатора для демпфирования колебаний давления в камере сгорания содержит контейнер, заполненный газом; отверстие в контейнере; и нагревательный элемент, выполненный с возможностью генерировать пламя, в котором пламя предназначено для нагрева газа, находящегося внутри контейнера.

1. Устройство (101, 301) резонатора, предназначенное для демпфирования колебаний давления в камере (330) сгорания, содержащее:
- контейнер (102, 302), заполненный газом;
- отверстие (106, 306) в контейнере и
- нагревательный элемент (103, 303), выполненный с возможностью генерировать пламя,
при этом пламя предназначено для нагрева газа в контейнере, причем нагревательный элемент выполнен с возможностью генерирования пламени и быстрого изменения температуры газа, заполняющего контейнер, и соответственно быстрого изменения резонансной частоты устройства резонатора.

2. Устройство резонатора по п. 1, в котором нагревательный элемент выполнен с возможностью генерировать пламя, используя сгорание в плазменной среде.

3. Устройство резонатора по п. 1, в котором нагревательный элемент выполнен с возможностью генерировать пламя, содержащее протекающий газ, имеющий скорость от 25 м/с до 500 м/с, в частности от 50 м/с до 300 м/с.

4. Устройство резонатора по п. 2, в котором нагревательный элемент выполнен с возможностью генерировать пламя, содержащее протекающий газ, имеющий скорость от 25 м/с до 500 м/с, в частности от 50 м/с до 300 м/с.

5. Устройство резонатора по одному из пп. 1-4, в котором нагревательный элемент выполнен с возможностью генерировать тепловую энергию от 0,01 кВт до 3 кВт.

6. Устройство резонатора по любому из пп. 1-4, в котором нагревательный элемент выполнен с возможностью генерировать пламя с температурой от 500°C до 3000°C.

7. Устройство резонатора по любому из пп. 1-4, в котором нагревательный элемент содержит обратный вихревой плазменный генератор (203).

8. Устройство резонатора по любому из пп. 1-4, в котором нагревательный элемент выполнен с возможностью генерировать плазменный факел.

9. Система сгорания, содержащая:
- камеру (330) сгорания, предназначенную для определения пространства сгорания для сгорания топлива;
- устройство (301) резонатора по любому из пп. 1-7,
при этом контейнер соединен с камерой сгорания так, что внутренняя часть контейнера сообщается с пространством сгорания через отверстие (306),
причем устройство резонатора имеет резонансную частоту, равную частоте колебаний давления в камере сгорания в условиях нормальной нагрузки,
причем нагревательный элемент выполнен с возможностью генерирования пламени и быстрого изменения температуры газа, заполняющего контейнер, и соответственно быстрого изменения резонансной частоты устройства резонатора.

10. Система сгорания по п. 9, дополнительно содержащая:
- зонд (337) измерения давления, предназначенный для измерения колебаний давления внутри пространства сгорания;
- зонд (111, 311) измерения температуры, предназначенный для измерения температуры газа внутри контейнера и
- систему управления (109, 309), выполненную с возможностью управления нагревательным элементом на основе измеренных колебаний давления в пространстве сгорания и измеренной температуры внутри контейнера.

11. Система сгорания по п. 10, в которой система управления выполнена с возможностью управления нагревательным элементом для изменения температуры газа внутри контейнера, когда камера сгорания работает в условиях, отличающихся от условий нормальной нагрузки так, что частота колебания давления в пространстве сгорания равна резонансной частоте контейнера, заполненного газом, изменяющейся при изменении температуры газа внутри контейнера.

12. Способ работы системы сгорания, содержащий этапы:
- сжигают топливо в пространстве сгорания, определенном камерой сгорания;
- возбуждают колебания давления в камере сгорания при сгорании топлива;
- генерируют пламя, используя нагревательный элемент, для нагрева газа в контейнере, соединенном с камерой сгорания, причем внутренняя часть контейнера сообщается с камерой сгорания через отверстие в контейнере и
- демпфируют колебания давления в камере сгорания,
причем с помощью нагревательного элемента генерируют пламя и быстро изменяют температуру газа, заполняющего контейнер, и соответственно быстро изменяют резонансную частоту устройства резонатора.

13. Способ по п. 12, дополнительно содержащий этапы:
- измеряют колебания давления внутри пространства сгорания, используя зонд измерения давления;
- измеряют температуру газа внутри контейнера, используя зонд измерения температуры и
- управляют нагревательным элементом на основе измеренных колебаний давления и измеренной температуры, используя систему управления,

14. Способ по п. 12 или 13, дополнительно содержащий этап:
- управляют нагревательным элементом для изменения температуры газа в контейнере, когда камера сгорания работает в условиях, отличающихся от условий нормальной нагрузки таким образом, что частота колебаний давления в пространстве сгорания равна резонансной частоте контейнера, изменяющейся после изменения температуры газа внутри контейнера.

15. Способ по любому из пп. 12 или 13, дополнительно содержащий этап:
- увеличивают температуру газа внутри контейнера со скоростью, по меньшей мере, 50°C в секунду.

16. Способ по п. 14, дополнительно содержащий этап:
- увеличивают температуру газа внутри контейнера со скоростью, по меньшей мере, 50°C в секунду.



 

Похожие патенты:

Узел камеры сгорания содержит камеру сгорания, первичную камеру сгорания, вторичную камеру сгорания и демпфирующее устройство. Узел камеры сгорания предназначен для уменьшения пульсации камеры сгорания, возникающей внутри газотурбинной установки, по существу содержащей, по меньшей мере, один компрессор, первичную камеру сгорания, которая присоединена ниже по потоку от компрессора, и горячие газы из первичной камеры сгорания впускаются во вторичную камеру сгорания.

Акустическое демпфирующее устройство для камеры сгорания содержит внутреннюю оболочку и наружную оболочку. Внутренняя оболочка выполнена с возможностью использования при первой температуре при работе.

Диффузор для камеры сгорания турбины содержит по существу кольцевую внешнюю оболочку, по существу кольцевую внутреннюю оболочку и канал Вентури, расположенный между внешней и внутренней оболочками.

Способ сжигания углеводородного топлива в газотурбинных двигателе или установке, содержащих камеру сгорания, заключается в поступлении на ее вход потока углеводородного топлива и потока воздуха, сжатого в компрессоре до высокого давления.

Изобретение относится к области машиностроения, энергетики, транспорта и к другим областям, где возникает необходимость увеличения эффективности охлаждения теплонапряженных элементов, в частности к созданию и увеличению ресурса работы малоэмиссионных камер сгорания авиационных газотурбинных двигателей и стационарных газотурбинных установок.

Изобретение относится к области машиностроения, энергетики, транспорта, в частности, к малоэмиссионным камерам сгорания авиационных газотурбинных двигателей и стационарных газотурбинных установок.

Изобретение относится к области энергетического, транспортного, химического машиностроения и может быть использовано в газотурбинных установках (ГТУ). .

Изобретение относится к области камер сгорания авиационных газотурбинных двигателей. .

Демпфирующее устройство для камеры сгорания газовой турбины содержит стенку с первой внутренней стенкой и второй наружной стенкой, расположенными на расстоянии друг от друга, множество охлаждающих каналов, продолжающихся по существу параллельно между первой внутренней стенкой и второй наружной стенкой, по меньшей мере один демпфирующий объем, первый проход для подачи охлаждающей среды из охлаждающего канала в демпфирующий объем и узкий проход для соединения демпфирующего объема с камерой сгорания. Внутренняя стенка подвержена высоким температурам на стороне с потоком горячего газа, Демпфирующий объем ограничен охлаждающими каналами. Торцевая пластина прикреплена к внутренней стенке, отделяя демпфирующий объем от камеры сгорания. При этом торцевая пластина выполнена с узким проходом и дополнительно обеспечена по меньшей мере одной подающей камерой для охлаждающей среды, по меньшей мере одной выпускной камерой для охлаждающей среды и по меньшей мере одним охлаждающим каналом, обеспечивающим протекание охлаждающей среды из по меньшей мере первой подающей камеры ко второй подающей камере или к по меньшей мере одной выпускной камере. Изобретение направлено на создание системы пристеночного охлаждения для демпфирующего устройства камеры сгорания газовой турбины со значительно сокращенными требованиями к расходу охлаждающего воздуха, что устраняет недостатки дорогостоящих способов литья. 16 з.п. ф-лы, 6 ил.
Наверх