Резонатор гельмгольца для камеры сгорания газовой турбины - RU2511939C2

Чертежи

Показать все 8 чертежа(ей)

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Данное изобретение относится к резонатору с приспосабливаемой частотой резонатора для поглощения звука или динамических пиков сгорания, создаваемых газовым потоком газовой турбины. Кроме того, данное изобретение относится к газовой турбине, содержащей по меньшей мере один резонатор. Дополнительно к этому, данное изобретение относится к способу изготовления резонатора с приспосабливаемой частотой резонатора для поглощения звука, создаваемого газовым потоком газовой турбины.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В современных газовых турбинах целью является сжигание топлива в камере сгорания в бедной смеси воздуха и топлива. Такой вид газовых турбин можно называть сухими системами сгорания с малым выходом загрязняющих веществ (DLE), при этом сжигание бедной топливной смеси приводит к низкому выбросу NOx и образованию короткого пламени. “NOx” обозначает моноксиды азота, т.е. химические соединения NO и NO₂. Однако такие системы склонны к динамике сгорания, поскольку они работают в обедненном режиме за счет использования бедной смеси воздуха и топлива. Поэтому может возникать динамика сгорания в результате возбуждения пламенем, аэродинамического наведенного возбуждения или недостаточного демпфирования.

Динамика сгорания может приводить к большим акустическим шумам, при этом целью является уменьшение этой динамики сгорания и этих шумов, в частности звука, который создается сухими системами сгорания с малым выходом загрязняющих веществ. Для этого используются демпфирующие устройства, устанавливаемые непосредственно в камере сгорания или внутри корпуса газовой турбины. Демпфирующие устройства могут быть образованы демпфирующими резонаторами Гельмгольца или перфорированными облицовками.

Резонаторы Гельмгольца известны как очень эффективное средство для демпфирования критичной частоты, возникающей в системе газовой турбины. Обычно резонаторы Гельмгольца предназначены для демпфирования единственной критической частоты, возникающей в единственной точке нагрузки газовой турбины. Когда нагрузка газовой турбины изменяется, в частности, например, между 50% и 75%, то система сгорания может проявлять склонность к динамике сгорания. Температуры, обусловленные различной нагрузкой газовой турбины, могут изменяться, и поэтому резонансная частота может не перекрывать критическую частоту системы сгорания.

В обычных газовых турбинах этот недостаток преодолевается посредством использования набора из нескольких резонаторов Гельмгольца с различными резонансными частотами, которые используются для демпфирования различных частот, генерируемых динамикой сгорания. При таком подходе необходимо большое количество частей при высокой стоимости. Кроме того, использование нескольких резонаторов Гельмгольца не всегда возможно вследствие геометрических ограничений в газовой турбине.

В ЕР 0111336 А2 раскрыт резонатор для двигателей внутреннего сгорания. Резонатор предназначен для поглощения резонансных шумов двигателя посредством соответствующего изменения длины и площади поперечного сечения трубчатого соединительного элемента между резонатором и двигателем. Изменением длины и/или площади поперечного сечения можно управлять с помощью исполнительного механизма, управление которым осуществляется с помощью электрического сигнала, соответствующего резонансной частоте, вычисляемой компьютером.

В WO 94/19596 А1 раскрыт глушитель для ослабления шумов разряда в установках с импульсными газовыми потоками. Используется регулируемый резонатор Гельмгольца, при этом регулировочный элемент, влияющий на резонатор Гельмгольца, соединен с устройством измерения частоты. Регулировочным элементом можно управлять с помощью управляющего блока для изменения длины и поперечного сечения горловины резонатора Гельмгольца.

В DE 19640980 А1 раскрыто устройство для демпфирования шума камеры сгорания. Используется резонатор Гельмгольца, в котором горловинная секция резонатора Гельмгольца образует стенку, которая может действовать в качестве пружинной стенки или мембранной коробки, которую можно увеличивать и уменьшать в размере для изменения частотной характеристики резонатора Гельмгольца.

В JP 60022021 А раскрыто устройство для эффективного уменьшения уровня шума посредством создания резонансных камер. Камеры соединены соединительной трубой, которая содержит клапаны для обеспечения воздушного потока.

В JP 58093955 А раскрыто устройство для уменьшения звука всасываемого воздуха и для уменьшения шума во время работы двигателя. Для этого можно изменять объем резонансной камеры за счет управления поршнем, изменяющим объем резонатора.

В JP 60182348 А раскрыто устройство для уменьшения шума в двигателе посредством управления длиной резонансного прохода, площадью поперечного сечения и объемом резонансной камеры. Для этого установлен поршень, которым можно управлять для изменения характеристик резонансного прохода.

В SU 767824 приведено описание биметаллической пластины, через которую можно пропускать электрический ток от источника через регулятор. Биметаллическая пластина может вибрировать у входа замкнутого пространства резонатора.

В JP 11044266 А1 раскрыт резонатор для обеспечения компенсации частоты в соответствии с изменением температуры. Соединительная труба соединяет газовую трубу с частью объема резонатора Гельмгольца. Средства управления радиусом соединительной трубы уменьшают радиус соединительной трубы в соответствии с изменением окружающей температуры. Средства управления радиусом соединительной трубы содержат створку и элемент расширения и сжатия. Створка задает внутренний диаметр соединительной трубы. Элемент расширения и сжатия управляет внутренним диаметром трубы в соответствии с изменениями температуры.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей данного изобретения является создание подходящей акустической демпфирующей системы для газовой турбины.

Для решения указанной задачи предлагаются резонатор с приспосабливаемой частотой резонатора для поглощения звука, создаваемого газовым потоком газовой турбины, газовая турбина, содержащая резонатор, и способ изготовления резонатора с приспосабливаемой частотой резонатора для поглощения звука, создаваемого газовым потоком газовой турбины, согласно независимым пунктам формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения указаны предпочтительные варианты выполнения и модификации изобретения.

Согласно первому примеру выполнения данного изобретения предлагается резонатор с приспосабливаемой частотой резонатора для поглощения звука, создаваемого газовым потоком газовой турбины. Резонатор содержит горловинную секцию, камеру и деформируемый элемент, выполненный с возможностью деформации под действием изменения температуры газовой турбины (например, температуры стенки турбины и/или температуры газа газового потока). Деформируемый элемент образует спираль. Форма деформируемого элемента предварительно задается с учетом соответствующей температуры газовой турбины. Горловинная секция и камера образуют объем резонатора, при этом горловинная секция образует проход, соединяющий объем с газовой турбиной. Деформируемый элемент термически связан с температурой газовой турбины так, что форма деформируемого элемента зависит от соответствующей температуры газовой турбины. Деформируемый элемент установлен в горловинной секции так, что эффективный диаметр горловинной секции зависит от температуры газовой турбины. В частности, форма спирали зависит от соответствующей температуры газовой турбины для избирательного приспосабливания эффективного диаметра горловинной секции. Резонатор, например резонатор Гельмгольца, может обеспечивать определенную резонансную частоту в зависимости от фактической формы деформируемого элемента согласно изобретению, как будет пояснено ниже. Когда резонансная частота соответствует частоте акустической волны колебательного газового потока газовой турбины, то резонатор может поглощать пики вибрации акустических волн, создаваемых газовым потоком.

Резонатор содержит, в частности, камеру и горловинную секцию. В целом, камера обеспечивает больший объем, чем небольшая горловинная секция. Горловинная секция может быть соединена с системой, подлежащей акустическому демпфированию, т.е. с газовым потоком газовой турбины.

Поскольку горловинная секция образует проход внутрь газовой турбины и тем самым к газовому потоку, то давление газа внутри камеры и горловинной секции можно приспосабливать к давлению газового потока газовой турбины. За счет вибрации акустических волн, создаваемых газовым потоком, давление в горловинной секции и камере повышается или понижается. Когда давление газа снаружи камеры уменьшается, то газ с более высоким давлением внутри камеры выходит наружу и наоборот. Однако этот всплеск газового потока в и из резонатора зависит от инерции газа в горловинной секции, и давление внутри горловинной секции остается на величине, слегка меньшей или большей эффективного давления снаружи. Этот процесс повторяется и образует задаваемую частоту. Эту частоту можно точно настраивать на частоту вибрации акустических волн, создаваемых газовым потоком турбины.

Частота, в частности резонансная частота резонатора, зависит от геометрических размеров резонатора в соответствии со следующей формулой:

где

V - объем резонатора,

l - эффективная длина горловинной секции резонатора, которая основана на геометрической длине горловины, и

с - скорость звука.

С учетом приведенной выше формулы можно посредством изменения геометрических параметров S, l и V настраивать частоту резонатора на частоту акустических волн, создаваемых газовым потоком турбины.

Кроме того, скорость звука, присутствующая в формуле для частоты резонатора, зависит от температуры. Поэтому, наряду с геометрическими размерами, следует учитывать также температуру газового потока и резонатора, соответственно, для вычисления правильной частоты для демпфирования акустических волн. Зависимость от температуры скорости света определяется следующей формулой:

где

k - адиабатический индекс,

R - молярная газовая постоянная,

Т - температура газового потока и

М - молярная масса в кг/моль.

Зависимость от температуры газового потока приводит к изменению резонансной частоты, так что акустические пики акустических волн, вызванные газовым потоком газовой турбины, не могут больше поглощаться в обычном резонаторе. Другими словами, если рабочая температура газовой турбины изменяется, то обычный резонатор может становиться бесполезным, поскольку его частота, т.е. резонансная частота, не перекрывает критическую частоту акустических волн, генерируемых системой, т.е. критическую частоту акустических волн, создаваемых газовым потоком.

Как указывалось выше, в обычных газовых турбинах используется несколько резонаторов с различными частотами резонаторов для обеспечения демпфирования с помощью резонаторов при всех нагрузках турбины, т.е. при каждой температуре, которая может возникать в газовой турбине. В других обычных акустических демпфирующих системах используются сложные механизмы управления, в которых управление подвижными исполнительными механизмами осуществляется с помощью внешних управляющих устройств для изменения геометрических размеров резонатора с целью приспосабливания резонатора к определенной желаемой частоте.

За счет данного изобретения можно устанавливать чувствительный к температуре деформируемый элемент либо в горловинной секции, либо в камере резонатора, при этом деформируемый элемент оказывает влияние на геометрические размеры резонатора при воздействии различных температур газовой турбины (например, различных температур стенки турбины и/или температур газа газового потока). Другими словами, деформируемый элемент термически связан с газовым потоком и/или стенкой турбины, так что для каждой соответствующей температуры газа и/или температуры стенки можно обеспечивать предварительно заданную форму и тем самым предварительно заданные геометрические параметры деформируемого элемента и тем самым резонатора. Поскольку управление деформируемым элементом осуществляется с помощью температуры газовой турбины, то не требуется дополнительной установки других исполнительных механизмов или других подвижных механических элементов. Резонатор сам настраивает свою частоту демпфирования. Кроме того, нет необходимости во внешних управляющих устройствах, таких как компьютеры, для настройки частоты резонатора относительно акустических волн газового потока.

Другими словами, за счет предварительно заданной формы деформируемого элемента относительно предварительно заданной соответствующей температуры газовой турбины, резонатор может обеспечивать различные резонансные частоты в предварительно заданных различных рабочих условиях турбины.

Требуемые характеристики деформации деформируемого элемента относительно соответствующих температур газовой турбины можно задавать во время фазы конструирования турбины. В фазе конструирования можно выбирать геометрические параметры для резонатора, так что объем, длину и диаметр горловинной секции и камеры резонатора можно выбирать в соответствии с критическими частотами акустических волн, создаваемых газовым потоком. Это может быть, например, узкий диапазон частот. Кроме того, в фазе конструирования можно устанавливать деформируемый элемент и настраивать его с целью изменения и приспосабливания объема, длины и/или диаметра или других геометрических параметров относительно известных пиков частоты при различных рабочих нагрузках газовой турбины. В частности, для каждой рабочей нагрузки в турбине образуется специфическая температура, так что форму деформируемого элемента можно легко приспосабливать к соответствующим температурам турбины. Таким образом, изменение формы деформируемого элемента приводит к изменению геометрических параметров резонатора, и тем самым можно сдвигать частоту резонатора, так что резонатор можно согласовывать со сдвигом пиков акустических волн вследствие динамики сгорания.

Кроме того, можно дополнительно применять в газовой турбине несколько резонаторов с возможностью сдвига частоты, при этом, в частности, по сравнению с обычными резонаторами, требуется меньшее количество резонаторов с возможностью сдвига частоты для обеспечения поглощения критических частот турбины при различных рабочих нагрузках.

Для изменения формы деформируемого элемента посредством влияния изменения температуры, материал и конструкцию деформируемого элемента можно задавать с помощью материалов, имеющих заданные коэффициенты теплового расширения. Таким образом, зная коэффициент теплового расширения определенного материала, можно вычислять увеличение длины или уменьшение геометрической формы деформируемого элемента в соответствии с температурами, воздействующими на деформируемый элемент.

В частности, деформируемый элемент устанавливают в горловинную секцию так, что эффективный диаметр горловинной секции зависит от соответствующей температуры газовой турбины (например, температуры стенки турбины или температуры газа газового потока). В данном примере выполнения деформируемый элемент может быть выполнен, например, с возможностью расширения относительно центральной линии (центра) горловинной секции, с целью уменьшения эффективного диаметра и наоборот. Таким образом, посредством изменения эффективного диаметра можно также настраивать резонатор.

Кроме того, деформируемый элемент образует спираль. Форма спирали, например расстояние между двумя витками или радиус самого внутреннего конца спирали, зависит от соответствующей температуры газовой турбины (например, температуры стенки турбины или температуры газа газового потока) для избирательного приспосабливания эффективного диаметра горловинной секции.

Спираль может быть деформируемой в двумерной плоскости, в частности деформируемой вдоль плоскости поперечного сечения горловинной секции. Спираль может быть образована витками, при этом каждый виток может быть задан в виде части стенки спирали в 360º. Каждый виток спирали может изменять расстояние до соседнего витка спирали под воздействием температуры. Спираль может быть выполнена, например, в виде биметаллической полосы.

При первой температуре спираль может расширяться, так что уменьшается расстояние между витками и спираль, соответственно, наружная стенка спирали прижимается к внутренней поверхности горловинной секции. Таким образом, поскольку контактирующие витки могут образовывать сдвиг от внутренней поверхности горловинной секции, то эффективный диаметр, который может задаваться витками, наиболее близкими к центру горловинной секции, уменьшается, так же, как эффективная площадь поперечного сечения горловинной секции.

При второй температуре расстояние между витками спиральной части может увеличиваться. Поэтому эффективный диаметр может задаваться внутренней поверхностью горловинной секции, так что эффективный диаметр больше, чем эффективный диаметр, получаемый при первой температуре.

Спираль может быть также задана трехмерной винтовой линией, так что спираль может быть деформируемой в трехмерном пространстве. Таким образом, наряду с изменением эффективного диаметра горловинной секции, винтовая линия может также регулировать длину горловинной секции.

Согласно другому примеру выполнения деформируемый элемент термически связан со стенкой газовой турбины так, что форма деформируемого элемента зависит (или является показателем) соответствующей температуры стенки. Деформируемый элемент может быть термически связан со стенкой, например, с помощью теплопроводного элемента, расположенного на стенке газовой турбины. Деформируемый элемент выполнен с возможностью деформации под влиянием температуры стенки турбины. Таким образом, независимо от температуры газового потока турбины деформируемый элемент деформируется за счет температуры стенки.

Другими словами, деформируемый элемент (например, биметаллический элемент) может изменять геометрические параметры резонатора (например, эффективный диаметр или длину горловинной секции), если используется температура (металлической) стенки (например, стенки камеры сгорания) вместо и/или в комбинации с температурой газового потока. Если сильно теплопроводный элемент соединен со стенкой камеры сгорания и с деформируемым элементом внутри резонатора (например, в частности, в горловинной секции), то даже когда температура газового потока будет постоянной, резонатор может иметь различные частоты за счет различной температуры металла (стенки камеры сгорания). Это может быть важным, если резонатор расположен в зоне пламени газовой турбины (с высокой температурой стенки), поскольку в этом случае необходимо охлаждение резонатора, и поэтому температура газового потока внутри резонатора, в частности, в горловинной секции, будет удерживаться относительно постоянной. Теплопроводный элемент может быть соединен как с деформируемым элементом, так и стенкой турбины с обеспечением непосредственной теплопроводности. Стенка турбины, в частности стенка камеры сгорания, может быть изготовлена из Inconel-625, а деформируемый элемент, устанавливаемый на стенке камеры сгорания, может быть выполнен из Haynes-214. Оба материала являются жаропрочными и могут использоваться в зоне пламени турбины. Для более низких температур можно использовать более простые материалы, такие как медь, для теплопроводного элемента.

Согласно другому примеру выполнения деформируемый элемент термически связан с газовым потоком газовой турбины так, что форма деформируемого элемента зависит (или является показателем) температуры газового потока. Таким образом, за счет изменений температуры газового потока могут регулироваться геометрические параметры резонатора (например, эффективный диаметр или длина горловинной секции).

Согласно другому примеру выполнения деформируемый элемент содержит биметаллический элемент. Биметалл можно использовать для преобразования изменения температуры в механическое перемещение деформируемого элемента. Для этого деформируемый элемент может содержать два слоя различных материалов с разным коэффициентом теплового расширения. Оба слоя могут быть соединены друг с другом по всей длине с помощью заклепок, твердой пайки или сварки. Различные коэффициенты расширения приводят к деформации или сгибанию в заданном направлении биметаллического деформируемого элемента, при этом при охлаждении биметаллического элемента он сгибается в противоположном направлении.

В качестве биметаллического материала можно использовать, например, сталь, медь или латунь. Использование материала для биметаллической полосы может зависеть от желаемого коэффициента теплового расширения с целью обеспечения желаемой формы биметаллической полосы при соответствующей температуре.

Согласно другому примеру выполнения деформируемый элемент установлен в горловинной секции резонатора. При установке деформируемого элемента в горловинной секции, переменные, которые вызывают изменение частоты резонатора, могут эффективно изменяться, когда деформация деформируемого элемента приводит к изменению геометрических параметров горловинной секции. Геометрические параметры горловинной секции, которые можно изменять с помощью деформируемого элемента, установленного в горловинной секции, могут включать эффективный диаметр горловинной секции и тем самым площадь поперечного сечения горловинной секции и/или длину горловинной секции.

Согласно другому примеру выполнения деформируемый элемент установлен в горловинной секции так, что длина горловинной секции зависит от соответствующей температуры газовой турбины (например, температуры стенки турбины или температуры газа газового потока). В этом примере выполнения часть горловинной секции, в частности часть стенки горловинной секции, может быть образована с помощью деформируемого элемента или по меньшей мере его части, так что расширение и уменьшение деформируемого элемента может изменять длину и тем самым обеспечивать регулирование частоты резонатора.

Согласно другому примеру выполнения деформируемый элемент установлен в горловинной секции так, что объем горловинной секции зависит от соответствующей температуры газовой турбины (например, температуры стенки турбины или температуры газа газового потока). В этом примере выполнения деформируемый элемент может изменять свой объем или свое положение или расширение и тем самым объем горловинной секции вследствие изменения температуры. Таким образом, объем горловинной секции можно использовать для регулирования частоты. В частности, строго говоря, фактический объем может оставаться неизменным, однако деформируемый элемент может создавать блокаду для текучей среды, так что эффективно объем не изменяется, но оказывается влияние на подвижность газа через горловинную секцию.

Согласно другому примеру выполнения деформируемый элемент образует по меньшей мере часть камеры, при этом деформируемый элемент установлен в камере так, что объем камеры зависит от соответствующей температуры газовой турбины (например, температуры стенки турбины или температуры газа газового потока). Таким образом, когда деформируемый элемент является частью стенки камеры, то за счет деформации, в частности, расширения или уменьшения деформируемого элемента, изменяется объем камеры и тем самым объем резонатора под влиянием температуры, так что можно также регулировать частоту резонатора.

Согласно другому примеру выполнения резонатор дополнительно содержит охлаждающее отверстие, при этом охлаждающее отверстие предназначено для соединения объема резонатора с потоком охлаждающей текучей среды. Охлаждающее отверстие (отверстия) могут обеспечивать соединение с системой охлаждения, так что, например, охлаждающая текучая среда может входить внутрь объема (горловинной секции или камеры) для охлаждения стенок резонатора. Кроме того, с помощью охлаждающих отверстий охлаждающая текучая среда может охлаждать газовый поток, так что можно удерживать температуру газового потока, например, постоянной. Таким образом, с помощью охлаждающих отверстий и охлаждающей текучей среды можно обеспечивать регулирование деформации деформируемого элемента, поскольку можно регулировать температуру газового потока внутри резонатора. Это может быть важным, если резонатор расположен в зоне пламени (с высокой температурой стенки) внутри газовой турбины, в этом случае резонатор охлаждается и поэтому температура газового потока внутри горловинной секции может быть относительно постоянной.

Согласно другому примеру выполнения резонатор дополнительно содержит несколько деформируемых элементов. Таким образом, с целью усиления действия деформации деформируемого элемента внутри резонатора может быть установлено несколько деформируемых элементов.

Согласно другому примеру выполнения газовая турбина содержит по меньшей мере один резонатор, указанный выше. В газовой турбине в различных местах, в частности, в местах, где образуются критические акустические волны, может быть установлен поясненный выше резонатор, так что в каждом месте можно демпфировать пики акустических волн.

Следует отметить, что выше приведено описание вариантов выполнения относительно различных предметов изобретения. В частности, описание некоторых вариантов выполнения приведено относительно устройства, в то время как описание других вариантов выполнения приведено относительно способа согласно изобретению. Однако для специалистов в данной области техники из приведенного выше и приведенного ниже описания понятно, что если не указано другое, то дополнительно к любой комбинации признаков, относящихся к одному предмету изобретения, а также к любой комбинации признаков, относящихся к различным предметам изобретения, в частности между признаками устройства и признаками способа, также следует рассматривать как раскрытые в данной заявке.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Ниже приводится подробное описание изобретения на основании примеров выполнения, которыми однако изобретение не ограничивается, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично изображено:

фиг. 1 - газовая турбина с резонаторами согласно одному примеру выполнения данного изобретения;

фиг. 2 - резонатор согласно одному примеру выполнения;

фиг. 3 - резонатор, содержащий деформируемый элемент в горловинной секции, согласно одному примеру выполнения данного изобретения;

фиг. 4А и 4В - спираль в горловинной секции согласно одному примеру выполнения данного изобретения;

фиг. 5А и 5В - спираль внутри горловинной секции резонатора с другой формой относительно фиг. 4А и 4В; и

фиг. 6 - резонатор, термически связанный со стенкой газовой турбины, согласно одному примеру выполнения данного изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Иллюстрации на чертежах показаны схематично. Следует отметить, что аналогичные или идентичные элементы обозначены на разных чертежах одинаковыми позициями.

На фиг. 1 показан резонатор 100 с приспосабливаемой частотой f резонатора для поглощения звука и/или пульсации или динамики сгорания, создаваемых газовым потоком газовой турбины 110. Резонатор содержит горловинную секцию 102, камеру 101 и деформируемый элемент 103, деформируемый под влиянием изменения температуры газовой турбины (например, температуры стенки 601 турбины (см. фиг. 6) или температуры Т газа газового потока). Форма деформируемого элемента 103 предварительно задана относительно соответствующей температуры газовой турбины. Горловинная секция 102 и камера 101 образуют объем V резонатора 100. Горловинная секция 102 образует проход, соединяющий объем V с газовой турбиной 110. Деформируемый элемент 103 термически связан с газовым потоком так, что форма деформируемого элемента 103 зависит от соответствующей температуры газовой турбины.

Как показано на фиг. 1, резонаторы 100 могут быть расположены внутри газовой турбины 110 в нескольких желаемых местах, в частности где создается большой шум, в частности большие акустические волны. Как показано на фиг. 1, акустические волны могут создаваться в зоне кожуха 111 газовой турбины 110, так что резонатор 100 может быть установлен на кожухе 111 для поглощения акустических волн. Кроме того, резонатор 100 может быть установлен в секции 112 камеры сгорания вблизи впрыска топлива и/или в зоне, в которой камера сгорания расширяется. Кроме того, динамика пламени, в частности, при сгорании обедненной топливной смеси создает акустический звук, в частности, в секции 113 пламени газовой турбины 110, так что может быть предпочтительным предусмотрение резонаторов 100 вблизи секции 113 пламени. В другом примере выполнения резонаторы 100 могут быть также расположены в выхлопной зоне 114 камеры сгорания для поглощения акустических волн, которые могут генерироваться процессом сгорания внутри камеры сгорания.

На фиг. 2 схематично показан резонатор 100, содержащий камеру 101 и горловинную секцию 102. Деформируемый элемент 103 может быть установлен внутри камеры 101 и/или горловинной секции 102. Деформируемые элементы 103 могут быть расположены по окружности на внутренней поверхности камеры 101 и/или горловинной секции 102.

Камера 101 резонатора может обеспечивать больший объем, чем горловинная секция 102. Горловинная секция 102 образует узкий раскрыв для соединения камеры 101 с окружением. Газ в объеме камеры 101 обеспечивает упругость, в то время как газ внутри горловинной секции 102 обеспечивает массу инерции газа. Таким образом, частота может быть задана формулой:

В частности, частота такого резонатора может быть задана как

при этом скорость с зависит от температуры Т:

Таким образом, для различных нагрузок газовой турбины 110 и тем самым за счет различных температур Т газового потока или различных температур стенки для каждой рабочей нагрузки необходимо изменять частоту f резонатора с целью обеспечения характеристик демпфирования. Это изменение частоты f можно компенсировать и приспосабливать с помощью деформируемого элемента 103. Деформируемый элемент 103 изменяет геометрические размеры резонатора 100 так, что можно устанавливать желаемую частоту f, в частности, в соответствии с рабочей нагрузкой турбины 110 и тем самым изменяющейся температурой Т газового потока и температурой стенки газовой турбины.

На фиг. 3 схематично показан резонатор 100, содержащий камеру 101 и горловинную секцию 102. Внутри горловинной секции 102 установлен деформируемый элемент 103. Деформируемый элемент 103 показан лишь символично. Деформируемый элемент 103 может быть в показанном на фиг. 3 примере выполнения спиралью 300. Спираль 300 может быть деформируемой вдоль двумерной плоскости, соответственно, вдоль площади поперечного сечения горловинной секции 102, так что можно изменять или приспосабливать эффективный диаметр D_2,eff и тем самым площадь S поперечного сечения посредством деформации спирали 300. Как показано на фиг. 3, спираль 300 может быть также выполнена в виде винтовой линии, так что наряду с двумерной деформацией возможна также трехмерная деформация вдоль длины l₂ горловинной секции 102.

На фиг. 4А и 4В спираль 300 показана внутри горловинной секции 102 в увеличенном масштабе. Спираль 300 содержит несколько витков 401. Каждый виток может быть выполнен в виде секции спирали 300 вдоль угла 360º. На фиг. 4А и 4В спираль 300 показана в свободном состоянии. Это свободное состояние может быть изменено с помощью первой температуры (стенки 601 турбины 110 и/или газового потока), воздействующей на спираль 300. Как показано на фиг. 4А, витки расположены на расстоянии друг от друга. В показанном свободном состоянии эффективный диаметр D_2,eff задан диаметром D₂ внутренней поверхности горловинной секции 102. В частности, как показано на фиг. 4В, расположенные на расстоянии друг от друга витки 401 образуют направляющую для потока текучей среды, так что внутри горловинной секции 102 может обеспечиваться ламинарный поток текучей среды. Таким образом, сопротивление потоку уменьшается и эффективный диаметр D_2,eff можно определять как диаметр D₂ горловинной секции 102.

На фиг. 5А и 5В показано состояние спирали 300 при второй температуре (например, стенки 601 турбины 110 и/или газового потока), которая отличается от первой температуры. Как показано на фиг. 5А и 5В, витки 401 спирали прижимаются друг к другу вследствие деформации, т.е. расширения спирали 300. Таким образом, витки 401 образуют фактически смещение внутри горловинной секции 102, так что эффективный диаметр D_2,eff горловинной секции 102 больше не задается диаметром D₂ горловинной секции 102, а определяется как диаметр между витком 401, который расположен наиболее близко к центру горловинной секции 102. Поэтому изменяется также объем горловинной секции 102, поскольку поперечное сечение горловинной секции 102 для текучей среды уменьшилось с диаметра D₂ до эффективного диаметра D_2,eff.

Таким образом, за счет различного эффективного диаметра D_2,eff при первой температуре (см. фиг. 4А, 4В) и второй температуре (см. фиг. 5А, 5В) можно регулировать соответствующую частоту резонатора 100.

На фиг. 6 показан резонатор 100, содержащий охлаждающие отверстия 603. Показанный на фиг. 6 резонатор термически связан со стенкой 601 газовой турбины 110 (например, показанной на фиг. 1). Для улучшения термической связи между деформируемым элементом 103 и стенкой 601, между деформируемым элементом 103 и стенкой 601 может быть расположен теплопроводный элемент 602. Теплопроводный элемент 602 может содержать, например, металлический лист.

Поток горячего газа газовой турбины можно охлаждать с помощью охлаждающей текучей среды, протекающей в резонатор 100 или вокруг него. Через охлаждающие отверстия 603 охлаждающая текучая среда может входить в объем внутри резонатора 100, так что стенка резонатора 100, деформируемый элемент 103 и/или газовый поток могут охлаждаться. Таким образом, резонатор 100 можно располагать также в зонах газовой турбины 110 с высокой температурой, таких как камера сгорания и зона 113 пламени газовой турбины 110.

Следует отметить, что понятие «содержит» не исключает другие элементы и стадии, а артикль ”a” или “an” не исключает множественности. Можно также комбинировать элементы, указанные применительно к различным вариантам выполнения. Следует также отметить, что указанные в формуле изобретения позиции не следует понимать как ограничивающие объем изобретения.

Реферат

Резонатор с приспосабливаемой частотой (f) резонатора для поглощения звука, создаваемого газовым потоком газовой турбины (110), при этом резонатор (100) содержит горловинную секцию (102), камеру (101) и деформируемый элемент (103), выполненный с возможностью деформации под действием изменения температуры газовой турбины, при этом деформируемый элемент (103) содержит биметаллический элемент и образует спираль (300). Форма деформируемого элемента (103) предварительно задана с учетом соответствующей температуры газовой турбины. Горловинная секция (102) и камера (101) образуют объем резонатора (100). Горловинная секция (102) образует проход, соединяющий объем с газовой турбиной (110). Деформируемый элемент (103) выполнен с возможностью термической связи с температурой газовой турбины (110) так, что форма деформируемого элемента (103) зависит от соответствующей температуры газовой турбины. Деформируемый элемент (103) установлен в горловинной секции (102) так, что эффективный диаметр (D) горловинной секции (102) зависит от температуры газовой турбины. Форма спирали (300) зависит от соответствующей температуры газовой турбины для избирательного приспосабливания эффективного диаметра (D) горловинной секции. Изобретение направлено на создание акустической демпфирующей системы для газовой турбины, которая может быть расположена в зонах с высокой температурой. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 8 ил.

Формула