包括紧凑宽频带阻尼装置用于电力设备的燃气涡轮机组件的制作方法

包括紧凑宽频带阻尼装置用于电力设备的燃气涡轮机组件
1.相关申请的交叉引用此专利申请要求2020年9月3日提交的欧洲专利申请第20197905.1号的优先权，其整个公开通过引用结合在本文中。
技术领域
2.本发明涉及用于电力设备的燃气涡轮机组件的技术领域。如已知的那样，在燃气涡轮机组件（下文中仅称燃气涡轮机）中进入空气流在压缩机中压缩，且然后与燃料混合并在燃烧器中点燃以产生要在涡轮中膨胀的热气体流，用来在转子上产生旋转功，转子又连接至发电机。在燃烧器内会出现燃烧/火焰不稳定性。这些燃烧/火焰不稳定性在燃烧室内产生压力波动，其会在燃烧器结构中产生机械损伤。在此技术领域中，本发明具体地涉及如何以对于燃烧器外可用空间最小的影响来阻尼宽频带范围的燃烧压力波动。


背景技术：

3.如已知的那样，用于电力设备的燃气涡轮机（下文中仅称燃气涡轮机）包括设有上游压缩机段、燃烧器段和下游涡轮段的转子。术语下游和上游参考穿过燃气涡轮机的主气体流的方向。特别地，压缩机包括被供应空气的入口和压缩经过的空气的多个叶片。离开压缩机的压缩空气流入气室，即，被外壳体限界的闭合的体积，并从那里进入燃烧器。压缩空气在燃烧器内与至少一种燃料混合。燃料与压缩空气的混合物流入燃烧器，在那里此混合物被燃烧。得到的热气体离开燃烧器并在涡轮中膨胀，从而在转子上做功。
4.为了实现高效率，需要高涡轮入口温度。然而，由于此高温，产生了高nox排放。
5.为了减少这些排放，并增大操作灵活性，现今已知执行顺序燃烧循环的特定类型的燃气涡轮机。
6.通常，顺序燃气涡轮机包括串联的两个燃烧器，其中每个燃烧级都设有烧嘴(burner)和燃烧室。沿着主气体流方向，上游燃烧器被称作“预混”燃烧器并且用压缩空气供应。下游燃烧器被称作“顺序”或“再热”燃烧器并且用离开第一燃烧室的热气体供应。根据第一类型的顺序燃气涡轮机，两个燃烧器物理上被称作高压涡轮的涡轮叶片的级隔开。
7.沿着主气体流，此第一类型的顺序燃气涡轮机包括压缩机、第一燃烧器、高压涡轮、第二燃烧器和低压涡轮。压缩机和两个涡轮可以连接到公共的转子上，该公共的转子围绕轴线旋转并且由同心的壳体包围。
8.现今已知第二类型的顺序燃气涡轮机，其中此类型的燃气涡轮机不设有高压涡轮，且预混和再热燃烧器在布置成围绕涡轮轴线的环的多个罐状燃烧器内布置成一个直接在另一个的下游。每个罐状燃烧器均设有衬里，即，限制内燃烧室的壳体，其分成相对于再热烧嘴分别在上游和下游的两个部分。衬里的上游部分称作预混衬里，而下游部分称作顺序衬里，并且在下游与面向涡轮称作画框的凸缘连接。通常，顺序衬里和画框实现为称作过渡导管的单一件，其构造成用来将离开燃烧器的热气体引向涡轮，特别是引向涡轮的第一静叶。
9.当然，根据现有技术实践，可能实现具有单一燃烧级的罐状燃烧器，并且因此包括单一烧嘴和限定单一燃烧室的单一衬里。
10.因为本发明可以在所有这两种不同类型的罐状燃烧器中应用，所以提及了上述不同类型的燃气涡轮机。
11.在操作中，在燃烧室内，会出现燃烧/火焰不稳定性，并且这些燃烧/火焰不稳定性产生压力波动。这些压力波动会在燃烧器结构中导致机械损伤，并限制操作规程。燃气涡轮机通常必须以贫燃模式操作以符合污染排放。此操作模式期间烧嘴火焰对流扰动极度敏感，并且会容易地与燃烧室的动态变化耦合而导致热声学不稳定性。
12.据此，现今已知给燃烧室设置阻尼装置，以便阻尼这些压力波动。传统的阻尼器包括流体地连接至燃烧室的阻尼体积，其充当谐振器体积。现今已知两种不同类型的阻尼装置。第一种类型称作赫姆霍兹阻尼器，并包括一个或更多称作颈部的小管，它们将燃烧室连接至谐振器体积。如已知的那样，赫姆霍兹阻尼器不是那么宽频带。然后，通过添加其他的体积和颈部，可以使阻尼更加宽频带，指向更多频率。备选地，可以提供平行地以另一个频率调谐的多个赫姆霍兹阻尼器，每个均连接到燃烧室。也可以提供多体积阻尼器。从连接到燃烧室的第一体积，可以用另一个颈部插入(plug)后面的体积。因此，流将进入第一体积，然后是颈部，然后是第二体积，且然后穿过第二颈部流向燃烧室。不幸的是，这种类型的阻尼器涉及对压缩空气在那里流动的燃烧器外的可用空间（“气室”）有大的实质影响的缺点。
13.为了有更紧凑的阻尼装置，第二种类型的阻尼器没有前述的颈部，但是具有穿孔板，其中此穿孔板的内面是燃烧衬里的一部分，即，与热气体直接接触。穿孔板的外面面向谐振器体积。此解决方案确实比赫姆霍兹阻尼器更紧凑。
14.虽然穿孔板阻尼器相对于单体积赫姆霍兹阻尼器更加宽频带，具有将燃烧室连接至谐振器体积的穿孔板的该已知阻尼装置不允许阻尼大范围的频率。
15.从此现有技术出发，现今需要改善具有穿孔板的前述阻尼器，以便以对于燃烧器外的可用空间最小的影响而扩展阻尼器的频率范围。


技术实现要素：

16.本发明的一个主要目标是提供用于燃气涡轮机燃烧器的改善的阻尼装置。为了实现上述目标，本发明涉及一种用于电力设备的燃气涡轮机，其中此燃气涡轮机具有轴线，并包括：
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用于压缩周围空气的压缩机段，
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用于将压缩空气与至少一种燃料混合并燃烧的燃烧器段，其中该燃烧器段包括限定燃烧室的至少一个衬里，燃烧室具有轴向方向a和周向燃烧器方向c；
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用于使离开燃烧器的燃烧的热气体流膨胀并在转子上做功的至少一个涡轮段；
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布置在燃烧室外并包括阻尼体积和穿孔板的至少一个阻尼装置，穿孔板构造成用来将燃烧室流体地连接至阻尼体积，以阻尼在燃烧室内产生的压力波动。
17.以上列举的特征被本领域技术人员所公知，使得不需要另外的细节。如前文提及的那样，燃烧器段可根据许多不同的构造实现。优选地，燃烧器段包括布置成围绕燃气涡轮机轴线的环的多个罐状燃烧器。
18.根据本发明的主要方面，穿孔板是倾斜的板，使得穿孔板的径向延伸或径向厚度
沿着轴向燃烧器方向a和/或沿着周向燃烧器方向c变化。
19.普通穿孔板阻尼器（沿着轴向燃烧器方向a或者沿着周向燃烧器方向c具有恒定的径向延伸或径向厚度）的使用在某些功能机制下（其处于低斯特鲁哈尔数(st《0.5)）允许有宽频带频率阻尼器。然而，在高频率范围内，难以停留在低斯特鲁哈尔机制下，其与目标频率成比例。另外，不管是在低频率范围内或高频率范围内，许多频率都落入阻尼范围之外。如已知的那样，在这种阻尼器中，穿孔板厚度通过改变阻尼器响应的频率来起作用。有利地，并且优选地由于制造工艺的新的増材/打印能力，根据本发明预见到对于相同的阻尼体积打印具有不同厚度的穿孔板。因此，这将提供由配备通道的穿孔板闭合的单一阻尼体积（或后腔），通道具有适合于阻尼宽频带频率范围的不同的径向延伸，此技术方案因而仅用一个阻尼体积提供了频率范围上的大的响应，最小化对于燃烧器外可用空间的影响。
20.新的穿孔板包括内面、外面和从内面向外面优选地径向延伸的多个通道。根据两个备选实施例，内面可为燃烧器衬里的一部分，即，内面直接面向燃烧室，或者内面可连接在用于燃烧器衬里的外面上。在此后一种情况下，在对应于板的通道的位置上，燃烧器衬里包括多个孔，用于将燃烧室流体地连接至阻尼体积。
21.如前文提及的那样，内面是平坦的，并且平行于轴向燃烧器方向，而外面相对于轴向燃烧器方向a和/或沿着周向燃烧器方向c倾斜，使得通道的径向延伸沿着轴向燃烧器方向a或沿着周向燃烧器方向c变化。根据不同的实施例，通道的径向延伸可沿着热气体流方向m减少或增加。此外，穿孔板可包括第一部分和第二部分，在第一部分中通道的径向延伸沿着轴向燃烧器方向减少，在第二部分中通道的径向延伸沿着轴向燃烧器方向a增加。
22.优选地，阻尼体积公开了沿着轴向燃烧器方向a恒定的径向延伸。
23.备选地或补充地，径向延伸也可沿着周向燃烧器方向c变化或者恒定。
24.优选地，阻尼装置包括用来允许吹扫空气进入阻尼体积的吹扫孔。
25.如前文提及的那样，燃烧器段优选地包括多个罐状燃烧器。在这种情况下，阻尼装置可为作为环的环形的，以周向地环绕罐状燃烧器衬里的一部分。
26.更优选地，每个上述罐状燃烧器均可构造成用于执行串联的两个燃烧级，并且包括上游衬里下游衬里。在这种情况下，阻尼装置可为作为环的环形的，以周向地围绕下游衬里的一部分。
27.优选地，阻尼体积可包括多个子体积，例如，在环形的情况下，这些子体积由多个轴向分离壁分开。
28.应理解的是前述总体描述和以下细节描述都是示例性的，并且意图提供如所要求保护的本发明的进一步解释。本发明的其他优点和特征从以下描述、附图和权利要求书将显而易见。
29.据信是新颖的本发明的特征特别是在所附权利要求书中要求保护。
附图说明
30.本发明的进一步的好处和优点在适当参考附图仔细阅读细节描述后将变得显而易见。
31.但是，本发明本身通过参考连同附图而使用的本发明的以下细节描述可被最佳地理解，细节描述描述了本发明的一个示例性实施例，附图中：
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图1是用于电力设备的燃气涡轮机的示意性视图；
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图2是用于电力设备用的燃气涡轮机的罐状燃烧器的示意性视图，罐状燃烧器设有串联的两个燃烧级；
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图3-5是根据本发明的阻尼装置的第一实施例的示意性视图。
具体实施方式
32.配合附图，在后文根据优选实施例描述了本发明的技术内容和细节描述，它们不用于限制其执行范围。根据所附权利要求书所做出的任何等价变型和改型都由本发明要求保护的权利要求书覆盖。
33.现在参考图1，其为可以设有本发明的阻尼装置的用于电力设备的燃气涡轮机的示意性视图。特别是，图1公开了具有轴线9并包括压缩机2、燃烧段4和涡轮3的燃气涡轮机1。如已知的那样，空气10进入压缩机2并且压缩空气离开压缩机2进入气室16，即，由外壳体17限定并包绕燃烧器的体积。压缩空气37从气室16进入燃烧器，在此示例中，燃烧器包括围绕轴线9环形地布置成环的多个罐状燃烧器4。在图1的描述中，术语环形、径向、轴向、内和外参考轴线9，而术语下游和上游参考主气体流。每个罐状燃烧器4均包括烧嘴5，其中压缩空气37与至少一种燃料混合。此混合物然后在燃烧室6中燃烧，并且得到的热气体流向下游涡轮3。燃烧室6由衬里7限制。涡轮3包括由静叶承载器14支撑的多个静叶12，即定子叶片，以及由转子8支撑的多个动叶(blade)13，即转子叶片。在涡轮3中，热气体膨胀在转子8上做功，并且以排放气体11的形式离开涡轮3。
34.现在参考图2，其为可以根据本发明改善的罐状燃烧器4的放大示意性视图。特别地，图2公开了具有串联的两级燃烧并容纳在外壳体17的相关门户孔中的罐状燃烧器4，外壳体17限定气室16，压缩空气在那里由压缩机2输送。罐状燃烧器4具有轴线24，并沿着气流m串联地包括第一燃烧器或预混燃烧器18，以及第二燃烧器或顺序燃烧器19。特别地，第一燃烧器18包括第一或预混烧嘴20和第一燃烧室21。顺序燃烧器19包括顺序烧嘴22和第二燃烧室23。轴线24平行于气流方向m。根据图2的实施例，燃料由燃料枪25供给至顺序烧嘴22，燃料枪25在第一燃烧室21外轴向地延伸直至顺序烧嘴22。燃烧室21、23由衬里7限界。特别地，预混燃烧室21被衬里7的上游部分限制，而顺序燃烧室21由顺序衬里26限制，顺序衬里26是用于将热气体引向涡轮的过渡导管27的一部分。在图3中，同样如在图4中，方向a，r和c分别指平行于主热气体流的轴向方向并指罐轴线、指径向方向以及指周向或环形方向。
35.现在参考图3，其为本发明的实施例的示意性视图。特别地，图3公开了可为图2的第一燃烧室21或第二燃烧室23的燃烧室。图3的标号28指根据本发明的阻尼装置。此阻尼装置28包括布置在燃烧室外的阻尼体积29（呈空腔的形式）和将燃烧室连接至阻尼体积29的穿孔板30。穿孔板30包括内面31和外面32以及从内面31和外面32延伸的多个径向通道33，用于将燃烧室连接至阻尼体积29。内面31可与燃烧室的衬里是整体的，即单一件，或者可联接在衬里上。在此后一种情况下，当然，衬里包括对应于在穿孔板30中获得的通道的孔，以将燃烧室流体地连接至阻尼体积29。穿孔板30的外面32面向阻尼体积29。本领域技术人员知道此类阻尼装置（具有穿孔板）如何工作。根据本发明，穿孔板30不公开恒定的径向延伸或者恒定的径向厚度，但是其以“倾斜的”穿孔板的形式实现，其中外面32不平行于内面或燃烧器衬里，而是相对于轴向方向倾斜。因此，在穿孔板30中获得的通道33的径向延伸沿着
轴向方向变化。在此示例中，阻尼体积29公开了沿着轴向方向恒定的径向延伸，以最小化阻尼器的径向尺寸，但其也可具有不同的构造。如已知的那样，阻尼体积29包括用于允许吹扫空气进入阻尼体积29的孔或开口/入口。在此示例中，通道的径向延伸沿着轴向方向a减小。但是不同的构造同样是可能的，其中通道的径向延伸沿着轴向方向a增加，或者板可公开第一径向增加部分和第二径向减小部分。如在本发明的总体描述中公开的那样，组合地或者备选地，通道的径向延伸沿着周向方向c可以变化。
36.图4允许公开阻尼装置28如何可以联接到燃烧器衬里上。特别是，图4公开了成管状主体形式的顺序衬里26以及环形地围绕衬里26的一部分布置的本技术的阻尼装置28。图5公开了图4的一部分的放大视图。根据此示例，环形地围绕衬里26的一部分布置的阻尼体积29由多个轴向分隔件分成多个子体积。在此情况下通道的径向延伸沿着周向方向c变化。图5也公开了用于进入阻尼体积29的吹扫空气的吹扫空气孔34。
37.尽管已经关于其如上所述的（多个）优选实施例解释了本发明，但应该理解的是可做出许多其他可能的改型和变型而不背离本发明的范围。因此，设想所附权利要求或多项权利要求将覆盖落入本发明真实范围内的改型和变型。