УПЛОТНИТЕЛЬНЫЕ СЕГМЕНТЫ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ, ОСНАЩЕННЫЕ ДЕМПФИРУЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ
COMBUSTION CHAMBER SEALING SEGMENTS, EQUIPPED WITH DAMPING DEVICES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к области газовых турбин, более конкретно, к камерам сгорания газовой турбины, имеющим' одно или более настроенное демпфирующее устройство, включенное в уплотнитель камеры сгорания, для подавления термо-акустически индуцированных высокочастотных колебаний давления.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Газотурбинные камеры сгорания во время работы могут вызывать колебания давления газа (акустические) и колебания температуры. В особенности это представляет проблему для камер сгорания с низким уровнем эмиссий, с обедненным предварительным смешением.
Данные термо-акустические колебания горения усиливаются, когда частота колебаний совпадает с акустической резонансной частотой или частотами объема камеры сгорания. Данные давления и тепловые флуктуации и могут привести к механическому и термическому повреждению турбины. Они также могут ограничивать допустимый температурный рабочий диапазон турбины.
Такие колебания были известной проблемой с первых дней развития газовых турбин. Возможный способ подавления таких колебаний состоит в присоединении к камерам сгорания демпфирующих устройств, имеющих резонаторные полости, или аналогичных устройств.
ОГРАНИЧЕНИЯ ПО ГАБАРИТНЫМ РАЗМЕРАМ
В прошлом демпферы присоединялись к передней панели горелки. Поскольку большее количество демпфирующих устройств увеличивает эффективность демпфирования, можно использовать несколько демпфирующих устройств. Кроме того, можно демпфировать несколько частот. Это также потребует дополнительных демпфирующих устройств. Таким образом, на передней панели могут существовать ограничения по габаритным размерам.
СЛОЖНОСТЬ УСТАНОВКИ/ЗАМЕНЫ
Кроме того, демпфирующие устройства также устанавливались на сегментах облицовки камеры сгорания. Из-за их положения, иногда существуют трудности по их установке. Кроме того, если турбина значительно модифицирована, акустические частоты создаваемые турбиной, меняются. Поэтому в таких случаях, например, как рассматриваемые, желательно изменять демпфируемые частоты. Демпферы, установленные на облицовку горелки и в другие труднодоступные места, сложно заменять для изменения демпфирования резонансных частот.
В настоящее время существует потребность в системе демпфирования тепло-акустических колебаний в камерах сгорания газовых турбин, которая является более компактной, может легко устанавливаться или заменяться, и в то же время, обеспечивает эффективную работу.
ЕР 1669670 описывает камеру сгорания для газотурбинного двигателя, снабженную по меньшей мене одним резонатором Гельмгольца, имеющим камеру резонатора и горловину резонатора, а также кольцевой уплотняющий элемент. ЕР 1890083 раскрывает инжектор топлива для газотурбинного двигателя.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технической задачей настоящего изобретения является предоставление компактной ленточной уплотнительной конструкции горелки для демпфирования желаемых частот, подходящего для существующих габаритов стандартной горелки, легко устанавливаемого и заменяемого, с помощью которого известные акустические частоты могут демпфироваться.
Конструкция настоящего изобретения с демпферами, смонтированными на уплотнителях, обеспечивает более широкую гибкость конструкции, поскольку уплотнители, как правило, размещаются в местах, где имеется достаточно пространства. Демпфирующие устройства на сегментах уплотнителя могут таким образом увеличивать возможность высокочастотного демпфирования и увеличивать количество соответствующих частот. Ленточные уплотнительные конструкции дешевле и проще в установке и замене по сравнению с конструкциями уровня техники, которые устанавливались на передней панели горелки или на сегментах внутренней облицовки камеры сгорания.
Описана ленточная уплотнительная конструкция, выполненная для уплотнения первой уплотняемой поверхности со второй уплотняемой поверхностью. Она включает в себя уплотнительную пластину с передней стороной, обращенной к камере сгорания, и задней стороной, обращенной от камеры сгорания. Уплотнительная пластина имеет один или более каналов с заранее определенной площадью поперечного сечения, проходящих через толщину уплотнительной пластины, расположенных по длине уплотнительной пластины.
Один или более контейнеров, имеющих заранее определенные объемы, присоединены к задней стороне уплотнительной пластины с сообщением по текучей среде с упомянутым одним или более каналами для создания по меньшей мере одного акустического демпфера. Ленточная уплотнительная конструкция уплотняет два компонента, одновременно демпфируя определенные акустические вибрации.
Настоящее изобретение может быть описано, как способ выполнения ленточной уплотнительной конструкции, имеющей свойства акустического демпфирования путем обеспечения уплотнительной пластины, имеющей переднюю сторону, прилегающую к камере сгорания, и заднюю сторону, обращенную от камеры сгорания, выполненной с возможностью иметь один или более каналов с заранее определенной площадью поперечного сечения, проходящих от передней стороны к задней стороне через толщину уплотнительной пластины; и
присоединения одного или более контейнеров, имеющих заранее определенные объемы, к задней стороне уплотнительной пластины так, что упомянутые один или более каналов находятся в сообщении по текущей среде с упомянутым одним или более контейнерами с созданием таким образом по меньшей мере одного акустического демпфера.
Настоящее изобретение может также быть описано, как способ создания уплотнения между компонентами турбины, которое демпфирует требуемые акустические частоты, используя ленточную уплотнительную конструкцию путем обеспечения уплотнительной пластины, имеющей переднюю сторону и заднюю сторону,
расчета по меньшей мере площади одного поперечного сечения и по меньшей мере объема одного контейнера для создания демпфера Гельмгольца для демпфирования требуемых акустических частот,
формирования одного или более каналов с рассчитанной площадью поперечного сечения через толщину уплотнительной пластины, проходящих от передней стороны к задней стороне,
присоединения одного или более контейнеров, имеющих рассчитанные объемы, к уплотнительной пластине так, что каналы, сформированные через уплотнительную пластину, соединены по текучей среде с контейнерами, и
крепления уплотнительной пластины между двумя компонентами турбины с созданием таким образом уплотнения между ними.
В соответствии с одним вариантом осуществления уплотнители могут использоваться для модернизации существующего компонента турбины. Способ модернизации уплотнителя с демпфированием содержит этап удаления существующего уплотнителя между компонентами турбины для обеспечения пространства для крепления уплотнителя, имеющего свойства акустического демпфирования, между двумя компонентами турбины, и вставки уплотнителя, имеющего каналы и присоединенные контейнеры, с созданием таким образом уплотнения между упомянутыми компонентами турбины.
Другие системы, способы, признаки и преимущества настоящего изобретения будут или станут очевидными для специалиста в данной области техники после изучения следующих чертежей и подробного описания. Предполагается, что все такие дополнительные системы, способы, признаки и преимущества включены в данное описание, включены в объем настоящего изобретения и защищены прилагаемой формулой изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Многие аспекты изобретения могут быть лучше поняты со ссылкой на следующие чертежи. Компоненты на чертежах не обязательно выполнены в масштабе, вместо этого акцент сделан на четкой иллюстрации принципов настоящего изобретения. Кроме того, на чертежах одинаковые ссылочные позиции обозначают соответствующие части на нескольких видах. Изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых,
Фиг. 1 - схема, иллюстрирующая классический акустический демпфер Гельмгольца.
Фиг. 2 - схема, иллюстрирующая классический акустический демпфер Гельмгольца и дополнительный демпфер Гельмгольца, установленный на тыльной стороне первого демпфера.
Фиг. 3 - график зависимости амплитуды и фазы коэффициента отражения от нормированной частоты, построенный для коэффициента Струхаля, равного 0,3, 0,5 и 1,0.
Фиг. 4 - вид в перспективе блока горелок турбины, показывающий обычную уплотнительную ленту, предназначенную для замены ленточной уплотнительной конструкцией в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 5 - вид в перспективе ленточной уплотнительной конструкции, имеющей два демпфера, частично вставленных внутрь прорези передней панели.
Фиг. 6 - вид сбоку ленточной уплотнительной конструкции, имеющей два демпфирующих устройства, частично вставленных внутрь прорези передней панели.
Фиг. 7 - вид в перспективе ленточной уплотнительной конструкции по настоящему изобретению, применяющей шесть демпфирующих устройств и увеличенный участок частичного выреза демпферов.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
ТЕОРИЯ
Существует несколько типов акустических демпферов, например четвертьволновые трубки, демпферы Гельмгольца или акустические экраны. Мы сосредоточимся на демпферах Гельмгольца.
Когда воздух нагнетается в полость, давление внутри полости увеличивается. Когда устраняется внешняя сила, нагнетающая воздух в полость, воздух под более высоким давлением выходит изнутри наружу. Полость остается под несколько более низким давлением, чем снаружи, заставляя воздух втягиваться назад. Этот процесс повторяется каждый раз с уменьшением величины изменения давления.
Воздух в проходе (горловине камеры) обладает массой. Находясь в движении, он обладает некоторым количеством движения. Более длинный проход образует большую массу, и наоборот. Диаметр поперечного сечения прохода связан с массой воздуха и объемом камеры. Проход с маленькой площадью по отношению к объему камеры будет "душить" поток, в то время как проход, имеющий слишком большую площадь по отношению к объему камеры, стремится снизить количество движения воздуха в проходе.
Например, на фиг. 1 показан классический демпфер Гельмгольца. Он содержит резонатор 1, имеющий объем V, с акустической горловиной 2, ведущей к отверстию 3, обычно выходящему в камеру, например, камеру сгорания, имеющую акустические колебания, которые необходимо демпфировать.
Выделяются основные параметры, такие как объем V резонатора, площадь поперечного сечения акустической горловины 2 (представленная в данном документе диаметром D) и длина L акустической горловины 2.
H
Расчетные параметры демпфера Гельмгольца выбираются таким образом, чтобы частота f резонатора демпфера соответствовала частоте колебаний камеры сгорания.
H
Можно показать, что угловая частота (соответствующая резонансной частоте (f)), определяется по формуле:
Радиан в секунду,
где
γ (гамма) является показателем адиабаты или отношение теплоемкостей. Данное значение, как правило, составляет 1,4 для воздуха и двухатомных газов.
А - площадь поперечного сечения горловины
m - масса в горловине
o
P - статическое давление в полости
o
V - статический объем полости
Для горловин с постоянным поперечным сечением площадь составляет:
n
A=V/L,
где
L - длина горловины, и
n
V - объем горловины,
поэтому:
По определению плотности  поэтому:
И
H
где: f - резонансная частота (Гц).
Скорость звука в газе определяется по формуле:
Таким образом, частота резонанса составляет:
H
0
Таким образом, резонансная частота f может выбираться путем подбора соответствующей площади А поперечного сечения акустической горловины 2, длины L акустической горловины 2 и объема V резонатора 1. (Следует обратить внимание, что данное уравнение справедливо для площади поперечного сечения отверстия такой же, как площадь поперечного сечения акустической горловины. Это также относится к акустической горловине 2 с постоянной площадью поперечного сечения. Данные уравнения должны дополнительно корректироваться, если площадь поперечного сечения отверстия 3 отличается от площади данной акустической горловины 2, или если площадь поперечного сечения акустической горловины 2 не является постоянной).
Демпферы Гельмгольца дополнительно описаны в патенте США 2011/0179796, опубликованном 28 июля 2011, принадлежащем настоящему заявителю и включенному в данный документ в качестве ссылки.
Эффективность демпфирования демпфера Гельмгольца в области техники газовых турбин обычно увеличивается за счет увеличения демпфирующего объема V (см. фиг. 1) и/или путем увеличения числа единичных демпферов Гельмгольца в камере сгорания.
На фиг. 2 показана конструкция, выполненная посредством последовательного соединения демпфирующих устройств. Она состоит из основного демпфера Гельмгольца, описанного выше, имеющего дополнительный демпфер Гельмгольца, установленный на задней стороне первого демпфера. Таким образом, второй резонатор 4, имеющий объем V2, имеет вторую горловину 5 со вторым диаметром 02 и второй длиной L2, ведущей ко второму отверстию 6.
Путем выбора подходящего объема V2, диаметра D2 и длины L2 второй демпфер демпфирует вторую требуемую частоту. Продолжая данную конструкцию, можно контролируемым способом демпфировать несколько частот в зависимости от числа задействованных демпферов в одном месте.
Фиг. 3 представляет собой график зависимости амплитуды и фазы коэффициента отражения от нормированной частоты. Коэффициент отражения представляет собой отношение воздуха, выходящего из резонатора, к воздуху, поступающему в резонатор. Он построен для коэффициента Струхаля 0,3, 0,5 и 1,0. Коэффициент Струхаля (St) определяется по формуле (частота * диаметр акустической горловины/скорость потока).
Показано, что когда нормированная частота приблизительно равна 1, абсолютное значение коэффициента отражения минимальное. Это указывает на точку максимального демпфирования.
Фиг. 4 - вид в перспективе блока 10 горелок турбины, показывающий обычную уплотнительную ленту 50, предназначенную для замены ленточной уплотнительной конструкцией 100 в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Блок 10 горелок имеет переднюю панель 20 и амбразуру 40 горелки. Передняя панель 20 своим верхним краем 21 и нижним краем 23 присоединены к участку корпуса турбины (не показан). Левый край 25 и правый край 29 передней панели 20 имеют прорезь 31. Ленточная уплотнительная конструкция 100 предназначена для уплотнения передней панели 20 с другой передней панелью прилегающего блока горелок.
Как правило, имеется пространство за передней панелью с обеих сторон блока 10 горелок, в котором размещена ленточная уплотнительная конструкция 100.
В устройстве уровня техники левая сторона стандартной уплотняющей ленты 50 помещена в прорезь 31 на правом краю 29 передней панели 20. Как правило, правая сторона стандартной уплотняющей ленты 50 помещена в прорезь передней панели второго прилегающего блока горелок (не показано). Иначе он может помещаться в элемент корпуса турбины.
Обычная уплотняющая лента 50 предназначена для обеспечения уплотнения между двумя компонентами газовой турбины. Это может быть между блоком 10 горелок и вторым блоком горелок или между блоком 10 горелок и элементом корпуса турбины.
Ленточная уплотнительная конструкция 100 в соответствии с настоящим изобретением предназначена для замены стандартной уплотняющей ленты 50. Как в случае со стандартной уплотняющей лентой 50, она предназначена обеспечивать уплотнение между двумя компонентами газовой турбины.
Как показано в данном документе, имеется шесть демпферов 150, включенных в состав ленточной уплотнительной конструкции 100. Поскольку данная ленточная уплотнительная конструкция 100 неполностью вставляется в прорезь 31, а имеет участок, обнажающий каналы (151 на фиг. 5, 6, и 7) демпферов 150. Каналы выполнены с возможностью взаимодействия по текучей среде с камерой сгорания турбины.
Фиг. 5 - вид в перспективе ленточной уплотнительной конструкции 100, имеющей два демпфера 150, вставленной внутрь прорези передней панели 20.
Фиг. 6 - вид сбоку ленточной уплотнительной конструкции 100, имеющей два демпфера 150, вставленной в прорезь передней панели 20.
Фиг. 7 - вид в перспективе ленточной уплотнительной конструкции 100 по настоящему изобретению, использующей шесть демпферов 150, и увеличенный участок частичного выреза демпферов 155.
Настоящее изобретение дополнительно описано в связи с фиг. 5, 6 и 7. Ленточная уплотнительная конструкция 100 включает в себя демпферы 150, присоединенные к уплотнительной пластине 110. Уплотнительная пластина 110 имеет первый дистальный конец 111, второй дистальный конец 113, левый край 115 и правый край 117. Ширина является расстоянием от левого края 115 до правого края 117. Длина измеряется от первого дистального конца 111 до второго дистального конца 113. Толщина ленты является расстоянием от передней стороны 119 до задней стороны 121.
Показан канал 151, открывающийся в передней стороне 119, и проходящий в горловину 153. Горловина 153 проходит через толщину уплотнительной пластины 110 в контейнер 155. Канал 151, горловина 153 и контейнер 155 образуют демпфер 150. Канал 151 может иметь такую же площадь поперечного сечения, что и горловина 153, создавая таким образом один проход с постоянным диаметром поперечного сечения.
Как указано выше, для демпфирования требуемой звуковой частоты определяются размеры и объемы демпфера 150.
В альтернативном варианте осуществления дополнительные демпферы (как отмечено на фиг. 2 и в соответствующем описании выше) могут присоединяться к демпферам, показанным на фиг. 5-7, для повышения эффективности или для демпфирования дополнительных акустических частот.
Понятно, что в соответствии с изобретением резонатор и акустическая горловина не ограничиваются формами, показанными в данном документе. Они могут включать в себя другие формы при условии, что они удовлетворяют вышеупомянутым условиям и уравнениям.
Таким образом, обеспечена ленточная уплотнительная конструкция (100), выполненная для уплотнения первой уплотняемой поверхности со второй уплотняемой поверхностью, содержащая: уплотнительную пластину (110) с передней стороной (119), обращенной к камере сгорания (60), и задней стороной, обращенной от камеры сгорания (60), при этом уплотнительная пластина (110) содержит один или более каналов (151) с заранее определенной площадью поперечного сечения, проходящих через толщину уплотнительной пластины (110) и расположенных по длине уплотнительной пластины; и один или более контейнеров (155), имеющих заранее определенный объем и присоединенных к задней стороне (121) уплотнительной пластины (110) с сообщением по текучей среде с упомянутыми одним или более каналами (151) для создания по меньшей мере одного акустического демпфера (150). В альтернативном варианте осуществления уплотнительная пластина (110) проходит между первым и вторым дистальными концами (111, 113). В альтернативном варианте осуществления толщина уплотнительной пластины (110) проходит между передней стороной (119) и задней стороной (121) уплотнительной пластины (110). В альтернативном варианте осуществления толщина уплотнительной пластины (110) составляет от 2 мм до 8 мм +/-0,1 мм. В альтернативном варианте осуществления комбинация упомянутых одного или более каналов (151) и упомянутых одного или более контейнеров (155) образует соответственно один или более демпферов (150). В дополнительном альтернативном варианте осуществления упомянутые один или более демпферов (150) настроены для демпфирования одной или более частот пульсаций. В дополнительном альтернативном варианте осуществления упомянутые один или более демпферов (150) настроены путем изменения размера и объема упомянутого соответствующего одного или более каналов (151) или упомянутого одного или более объемов (155). В альтернативном варианте осуществления ленточная уплотнительная конструкция выполнена с обеспечением возможности уплотнения между двумя компонентами газовой турбины.
Согласно второму аспекту изобретения обеспечен способ выполнения ленточной уплотнительной конструкции (100), имеющей свойства акустического демпфирования, при этом способ включает в себя: предоставление уплотнительной пластины (110), имеющей переднюю сторону (119), прилегающую к камере сгорания (60), и заднюю сторону (121), обращенную от камеры сгорания, выполненной с возможностью иметь один или более каналов (151) с заранее определенной площадью поперечного сечения, проходящих от передней стороны (119) к задней стороне (121) через толщину уплотнительной пластины (110); присоединение одного или более контейнеров (155), имеющих заранее определенные объемы, к задней стороне (121) уплотнительной пластины (110) так, что упомянутые один или более каналов (151) находятся в сообщении по текущей среде с упомянутым одним или более контейнерами (155), создавая таким образом по меньшей мере один акустический демпфер (150). В альтернативном варианте осуществления способ дополнительно содержит применение ленточной уплотнительной конструкции (100) для обеспечения уплотнения между двумя компонентами газовой турбины. В альтернативном варианте осуществления способ дополнительно содержит определение рабочих акустических частот, которые требуется демпфировать. В дополнительном альтернативном варианте осуществления способ дополнительно содержит настройку ленточной уплотнительной конструкции (100) для демпфирования одной или более частот, которые требуется демпфировать. В дополнительном альтернативном варианте осуществления способ дополнительно содержит изменение поперечного диаметра упомянутого одного или более каналов (151) и объемов по меньшей мере одного контейнера (155) для настройки ленточной уплотнительной конструкции (100).
Согласно третьему аспекту изобретения обеспечен способ создания уплотнения между компонентами турбины, который демпфирует требуемые акустические частоты, используя ленточную уплотнительную конструкцию (100), при этом способ содержит: обеспечение уплотнительной пластины (110), имеющей переднюю сторону (119) и заднюю сторону (121); расчет по меньшей мере одной площади поперечного сечения и по меньшей мере одного объема контейнера для создания демпфера Гельмгольца для демпфирования упомянутых требуемых акустических частот; формирование одного или более каналов (151) с рассчитанной площадью поперечного сечения через толщину уплотнительной пластины (110), проходящих от передней стороны (119) к задней стороне (121); присоединение одного или более контейнеров (155), имеющих рассчитанные объемы, к уплотнительной пластине (110) так, что каналы (151), сформированные через уплотнительную пластину (110), соединены по текучей среде с контейнерами; и крепление уплотнительной пластины (110) между двумя компонентами турбины с созданием таким образом уплотнения между ними. В альтернативном варианте осуществления способ дополнительно содержит этап удаления существующего уплотнения между упомянутыми компонентами турбины для обеспечения пространства для крепления уплотнительной пластины (110) между двумя компонентами турбины, и крепление уплотнительной пластины (110), имеющей каналы (151) и присоединенные контейнеры (155) в этом пространстве с созданием таким образом уплотнения между упомянутыми компонентами турбины.
Хотя изобретение описано со ссылкой на ряд предпочтительных вариантов осуществления, специалистам в данной области техники понятно, что могут быть сделаны различные изменения, и эквиваленты могут быть заменены соответствующими элементами, не выходя за рамки объема изобретения. Кроме того, может быть сделано много модификаций для адаптации конкретной ситуации или материала к идеям изобретения без отступления от его основного объема.
Таким образом, подразумевается, что изобретение не ограничено конкретными раскрытыми вариантами осуществления как лучшими способами, предполагаемыми для осуществления этого изобретения, но что изобретение включает все варианты осуществления, попадающие в объем прилагаемой формулы изобретения. Кроме того, использование терминов первый, второй и т.д. не означает какого-либо порядка или важности, а напротив, термины первый, второй и т.д. используются, чтобы отличить один элемент от другого.
Примерные варианты осуществления настоящего раскрытия описаны ниже со ссылками на чертежи, на которых одинаковые ссылочные позиции используются для ссылки на одинаковые элементы по всему описанию. В последующем описании многие конкретные детали в целях пояснения изложены для обеспечения исчерпывающего понимания изобретения. Тем не менее, настоящее изобретение может быть осуществлено на практике без данных конкретных деталей и не ограничивается примерным вариантом осуществления, раскрываемым в данном документе.
ССЫЛОЧНЫЕ ПОЗИЦИИ
1 Резонатор
2 Акустическая горловина
3 Отверстие
4 Второй резонатор
5 Вторая акустическая горловина
6 Второе отверстие
10 Блок горелок
20 Передняя панель
21 Верхний край
23 Нижний край
25 Левый край
29 Правый край
31 Прорезь
40 Амбразура горелки
50 Стандартная уплотняющая лента
60 Камера сгорания
100 Ленточная уплотнительная конструкция
110 Уплотнительная пластина
111 Первый дистальный конец
113 Второй дистальный конец
115 Левый край
117 Правый край
119 Передняя сторона
121 Задняя сторона
w Ширина
I Длина
t Толщина
150 Демпфер
151 Канал
153 Горловина
155 Контейнеры