CN101818899A - 用于减少涡轮机中的燃烧动态变化的系统和方法 - Google Patents

用于减少涡轮机中的燃烧动态变化的系统和方法 Download PDF

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    • F23R2900/00013—Reducing thermo-acoustic vibrations by active means

Abstract

本发明涉及用于减少涡轮机中的燃烧动态变化的系统和方法，具体而言，公开了一种涡轮机，其包括燃烧室和安装到该燃烧室上的至少一个预混合器。该至少一个预混合器包括具有延伸到第二末端部分的第一末端部分的主体。该第一末端部分构造成接收一定数量的燃料和空气，第二末端部分限定出口平面，燃料-空气混合物从该出口平面排入燃烧室。涡轮机也包括可操作地联接到至少一个预混合器上的燃烧动态变化减少系统。燃烧动态变化减少系统包括破坏该至少一个预混合器内的燃料-空气混合物的流型的边界层扰动机构和声波引入系统中的至少一个。

Description

用于减少涡轮机中的燃烧动态变化的系统和方法
技术领域
本文所公开的主题涉及涡轮机领域，且更具体地，涉及用于减少涡轮机中的燃烧动态变化(dynamics)的系统和方法。
背景技术
燃烧动态变化是使用贫预混合燃烧的燃气涡轮机中的一种现象。燃烧动态变化包括由通过旋转火焰的燃烧室的径向和方位角模式的激励所引起的低频率、纵向动态变化和高频振荡燃烧。低频和高频二者均包括燃烧场分量和声学分量，这些分量在燃烧期间沿燃烧器传递。在一定的运行条件下，燃烧分量和声学分量结合以产生低频和高频动态场。低频和高频动态场对各种涡轮机部件具有负面影响。更具体地，从燃烧室通过的动态场可导致对下游涡轮机部件的高周疲劳(HCF)。
为了解决此问题，涡轮机以低于最优水平运行，也就是说，避免了某些运行条件以避免助长振荡燃烧的环境。尽管在减少燃烧动态变化方面是有效的，但避免这些运行水平限制了涡轮机的整体运行范围(envelop)。
对燃烧动态变化问题的另一个解决方法是改变燃烧室输入条件。更具体地，已知燃料-空气比的波动会引起导致振荡燃烧的燃烧动态变化。通过改变燃料流率产生燃料-空气混合物中的扰动能使燃烧场与声学场分离以便抑制振荡燃烧。尽管上述两种解决方法在减少燃烧动态变化方面都是有效的，但避免不同的运行水平限制了涡轮机的整体运行范围，而操纵燃料空气比需要结合控制方案，并还可导致低效燃烧。
发明内容
根据本发明的一个方面，涡轮机包括燃烧室和安装到该燃烧室上的至少一个预混合器。该至少一个预混合器包括具有延伸到第二末端部分的第一末端部分的主体。该第一末端部分构造成接收一定数量的燃料和一定数量的空气，而第二末端部分限定出口平面，燃料-空气混合物从该出口平面排入该燃烧室。涡轮机也包括可操作地联接到该至少一个预混合器上的燃烧动态变化减少系统。该燃烧动态变化减少系统包括破坏在该至少一个预混合器内的燃料-空气混合物的流型(flowpattern)的边界层扰动机构和声波引入系统中的至少一个。
根据本发明的另一方面，在涡轮机中减少燃烧动态变化的一种方法包括：通过预混合器将燃料-空气混合物引入燃烧室，并通过破坏在至少一个预混合器内的燃料-空气混合物的流型来减少燃烧动态变化。
通过结合附图的下列描述，这些和其它优点和特征将变得更加明显。
附图说明
被认为是本发明的主题在说明书所附的权利要求中被特别地指出和清楚地要求保护。本发明的上述和其它特征和优点从结合附图的下列具体实施方式中是明显的，其中：
图1是根据本发明示例性实施例的包括燃烧动态变化减少系统的涡轮机的局部、横截面侧视图；
图2是图1的涡轮机的燃烧器部分的横截面侧视图；
图3是根据本发明一个示例性方面的包括燃烧动态变化减少系统的喷嘴组件的示意图；
图4是根据本发明另一个示例性方面的包括燃烧动态变化减少系统的喷嘴组件的示意图；以及
图5是根据本发明又一个示例性方面的包括燃烧动态变化减少系统的喷嘴组件的示意图。
借助参考附图的示例，具体实施方式描述了本发明的实施例以及优点和特征。
部件列表：
  2   涡轮机
  4   压缩机
  5   燃烧器组件
  6   燃烧器
  8   喷嘴组件外壳
  10   涡轮
  12   压缩机/涡轮轴
  22   扩散器
  24   压缩机排气室
  30   末端盖
  34   罩元件
  35   第一表面(34)
  36   第二表面
  38   预混合器/喷嘴组件
  2   涡轮机
  39   预混合器/喷嘴组件
  40   主体(38)
  41   主体(39)
  42   第一末端部分(40)
  43   第一末端部分(41)
  44   第二末端部分(40)
  45   第二末端部分(41)
  46   燃烧外壳
  47   燃烧衬里
  48   燃烧室
  49   燃烧室冷却通道
  55   过渡件
  62   第一级涡轮喷嘴
  64   内壁(55)
  65   外壁(55)
  66   多个开口(65)
  68   环形通道
  72   导向腔
  90   燃烧动态变化抑制系统
  96   边界层扰动机构
  2   涡轮机
  99   空气/惰性气体
  100   喷射系统
  104   外导管
  106   内导管
  108   通道
  112   开口
  122   机械元件
  130   外导管
  131   通道
  132   排出部分
  135   内导管
  136   通道
  137   排出部分
  142   突起
  148   湍流器
  154   挡板
  164   振荡燃烧抑制系统
  167   声波引入系统
  172   流体引入系统
  177   第一输入管线
  2   涡轮机
  180   第一末端
  181   第二末端
  182   阀
  185   声学驱动器
  190   第二输入管线
  193   第一末端
  194   第二末端
  195   阀
具体实施方式
如本申请中所使用的用语“轴向的”和“轴向地”指大体上平行于燃烧管组件的中心体的中心纵向轴线延伸的方向和方位。在本申请中所使用的用语“径向的”和“径向地”指的是大体上垂直于中心体的中心纵向轴线延伸的方向和方位。如本申请中所使用的用语“上游”和“下游”指的是关于中心体的中心纵向轴线相对于轴流方向的方向和方位。
首先参考图1，根据本发明示例性实施例构造的涡轮机一般地以2表示。涡轮机2包括压缩机4和具有至少一个燃烧器6的燃烧器组件5，该燃烧器6设有喷嘴组件外壳8。涡轮机2也包括涡轮10和公共的压缩机/涡轮轴12。在一个示例性实施例中，涡轮机2是从南卡罗来纳州格林维尔市的通用电气公司可商业获得的PG9371 9FBA重型燃气涡轮发动机。注意本发明不限于任何一种特定的发动机，并可结合其它涡轮机使用。
如图2中最佳地显示，燃烧器6与压缩机4和涡轮10联接成流动连通。压缩机4包括彼此联接成流动连通的扩散器22和压缩机排气室24。燃烧器6也包括置于其第一末端处的末端盖30，以及罩元件34。燃烧器6还包括多个预混合器或喷嘴组件，其中两个用38和39表示。各个喷嘴组件38、39包括分别具有第一和第二末端部分42、43以及44、45的相应主体40、41。第二末端部分44和45分别限定喷嘴组件38和39的出口平面(未单独标示)。另外，燃烧器6包括燃烧器外壳46和燃烧器衬里47。如图所示，燃烧器衬里47从燃烧器外壳46径向向内地放置以便限定燃烧室48。环形燃烧室冷却通道49被限定在燃烧器外壳46和燃烧器衬里47之间。燃烧器6通过过渡件55联接到涡轮机2上。过渡件55将燃烧室48中产生的燃烧气体向下游引向第一级涡轮喷嘴62。为此，过渡件55包括内壁64和外壁65。外壁65包括通向限定在内壁64和外壁65之间的环形通道68的多个开口66。内壁64限定在燃烧室48和涡轮10之间延伸的导向腔72。
在运行期间，流过压缩机4的空气被压缩，并被传递到燃烧器6，且更具体地，被传递到喷射器组件38和39。同时，燃料被传递到喷射器组件38和39以和压缩空气混合来形成可燃混合物。可燃混合物被引向燃烧室48并被点燃以形成燃烧气体。然后，燃烧气体被引向涡轮10。来自燃烧气体的热能被转化成用来驱动压缩机/涡轮轴12的机械转动能。
更具体地，涡轮10经由压缩机/涡轮轴12(在图1中示出)驱动压缩机4。当压缩机4旋转时，压缩空气如由相关箭头所示排入扩散器22。在该示例性实施例中，从压缩机4排放的压缩空气的大部分通过压缩机排气室24引向燃烧器6。任何剩余的压缩空气被引导用于冷却发动机部件。排气室24内的压缩空气经由外壁开口66引入过渡件55并进入环形通道68。然后，压缩空气通过环形燃烧室冷却通道49从环形通道68引导并引向喷嘴组件38和39。燃料和空气混合以形成可燃混合物。点燃该可燃混合物以在燃烧室48内形成燃烧气体。燃烧器外壳46有助于使燃烧室48以及其相关的燃烧过程与外部环境(例如周围涡轮机部件)隔离。燃烧气体从燃烧室48引导通过导向腔72并引向涡轮喷嘴62。冲击第一级涡轮喷嘴62的热气产生旋转力，该旋转力最终产生来自涡轮机2的功。在这点应该了解的是，描述上述构造是为了更完整地理解本发明的示例性实施例。
如在图3中最佳地显示，涡轮机2包括燃烧动态变化减少系统90。根据一个示例性实施例，燃烧动态变化减少系统90包括以空气/惰性气体喷射系统100的形式示出的边界层扰动机构96。更具体地，喷嘴组件38包括外导管104和内导管106，在这些导管之间限定了具有入口(未单独标示)的通道108。通道108具有布置在喷嘴组件38的第二末端部分44处的出口或开口112。利用这种布置，空气/惰性气体被喷入通道108并被导向第二末端部分44。该空气/惰性气体通过开口112流向喷嘴组件38的出口平面。空气在存在于出口平面处的火焰和未点燃的可燃混合物之间的边界层处产生破坏或扰动。更具体地，空气/惰性气体破坏喷嘴组件38内的燃料-空气混合物的流型。通过控制通过通道108的空气/惰性气体的流率，空气/惰性气体喷射系统100改变存在于火焰基部的边界层处的外涡流流泄性状(sheddingbehavior)。边界层和涡流特性的破坏使存在于第二末端部分44处的燃烧场分量和声学分量分离，从而抑制任何相伴的振荡燃烧。
现在将参考图4来描述根据另一个示例性实施例的边界层扰动机构120。如图所示，边界层扰动机构120包括布置在喷嘴组件39的第二末端部分45处的多个机械元件122。以类似于上述的方式，喷嘴组件39包括具有内通道131的外导管130，该内通道131通向提供在第二末端部分45处的排出部分132。喷嘴组件39也包括具有内部通道136的内导管135，该内部通道136通向也布置在第二末端部分45附近的排出部分137。利用此构造，多个机械元件122布置在外导管130的内表面(没有单独标示)以及内导管135的外表面(没有单独标示)上。根据该示例性实施例的一个方面，多个机械元件呈突起142的形式。然而，机械元件122也可呈使边界层陷入湍流的湍流器形式和/或将脉动运动给予燃料/空气混合物并还可破坏边界层的挡板形式。以此方式，扰动效应在燃料/空气混合物被释放到燃烧室48中并被点燃之前被给予通过喷嘴组件39的燃料/空气混合物。喷嘴组件39内的扰动效应和边界层的破坏/改变以及燃烧室48内相关的涡流结构导致燃烧过程的燃烧分量和声学分量的分离，以便抑制涡轮机2中的振荡燃烧。
现在将参考图5(其中，在不同视图中相似的标号代表相应的部件)来描述根据本发明的又一个实施例构造的燃烧动态变化减少系统164。如图所示，燃烧动态变化减少系统164包括声波引入系统167和流体引入系统169。更具体地，声波引入系统167包括具有延伸至第二末端181的第一末端180的第一输入管线177。第二末端181流体地连接到喷嘴组件38的第一末端部分42上。阀182置于第一输入管线177内以控制传输到喷嘴组件38中的声波的引入。更具体地，声波引入系统167包括置于第一输入管线177的第一末端180处的声学驱动器185。以下文将更完全地描述的方式，选择性地运行声学驱动器185来将不同频率下的声波传输给存在于喷嘴组件38处的火焰的基部。
如图5进一步所示，流体引入系统169包括具有延伸至第二末端194的第一末端193的第二输入管线190。以类似于上述的方式，第二末端194流体地连接到喷嘴组件38的第一末端部分42上。第二输入管线190包括控制流体(例如空气、燃料和/或稀释剂)引入喷嘴组件38的阀195。利用此布置，声波和/或空气/燃料/稀释剂或它们的混合物被引入喷嘴组件38并对准燃烧室48内火焰的基部。声波和/或流体的引入使声学分量和燃烧场分量分离，以抑制涡轮机2内的振荡燃烧。更具体地，运行声学驱动器185以改变传入喷嘴组件38的声波的频率和振幅，以便扰乱或破坏燃烧室48内火焰的基部。同样地，空气也可注入喷嘴组件38中以进一步影响火焰的基部和相关的边界层和涡流特征。这改变了燃烧分量的响应并使燃烧分量与声学分量分离。
在这点上应当了解的是，本发明提供了一种用于通过在与特定燃烧器相联的喷嘴内产生边界层破坏，或通过直接在特定喷嘴的出口处提供破坏火焰的基部的系统而抑制涡轮机中的振荡燃烧的系统。通过在喷嘴组件内产生时变变化，即使不消除也可以明显地减少振荡燃烧。此外，以这种方式消除振荡燃烧允许运营商利用所有的涡轮机运行范围。此外，通过在源头也就是在喷嘴组件和/或燃烧室内抑制振荡燃烧，高频动态场的发展在有机会通过涡轮机部件扩散之前就被消除。
尽管已经结合有限数量的实施例详细地描述了本发明，但应当容易了解的是，本发明不限于此类公开的实施例。相反，可修改本发明以结合迄今尚未描述但与本发明的精神和范围相称的许多变化、变更、替换或等价装置。此外，尽管已经描述了本发明的不同实施例，但应当了解的是，本发明的各方面仅可包括其中一些所描述的实施例。因此，本发明不应认为由上述描述所限制，而是仅由所附权利要求的范围所限制。

Claims (10)

1.一种涡轮机(2)，包括：
燃烧室(48)；
安装到所述燃烧室(48)上的至少一个预混合器(38，39)，所述至少一个预混合器(38，39)包括包含延伸到第二末端部分(44，45)的第一末端部分(42，43)的主体(40，41)，所述第一末端部分(42，43)构造成接收一定数量的燃料和一定数量的空气，而所述第二末端部分(44，45)限定出口平面，燃料-空气混合物从所述出口平面排入所述燃烧室(48)；以及
可操作地联接到所述至少一个预混合器(38，39)上的燃烧动态变化减少系统(90)，所述燃烧动态变化减少系统(90)包括破坏所述至少一个预混合器(38，39)内的所述燃料-空气混合物的流型的边界层扰动机构(96)和声波引入系统(167)中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述燃烧动态变化减少系统(90)包括边界层扰动机构(96)，所述边界层扰动机构(96)包括可操作地联接到所述预混合器上的空气/惰性气体喷射系统(100)和安装在所述至少一个预混合器中的机械元件(122)中的一个。
3.根据权利要求2所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述边界层扰动机构(96)包括空气/惰性气体喷射系统(100)，所述空气/惰性气体喷射系统(100)包括用于接收一定数量的空气/惰性气体的入口和用于释放该一定数量的空气/惰性气体的出口(112)。
4.根据权利要求3所述的涡轮机，其特征在于，所述出口(112)置于所述预混合器(38，39)中。
5.根据权利要求4所述的涡轮机，其特征在于，所述出口(112)置于所述出口平面附近。
6.根据权利要求2所述的涡轮机，其特征在于，所述边界层扰动机构(96)包括安装在所述预混合器中的机械元件(122)。
7.根据权利要求6所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述机械元件(122)包括安装在所述预混合器中的至少一个突起(142)，所述至少一个突起(142)改变所述燃料-空气混合物的所述流型。
8.根据权利要求7所述的涡轮机，其特征在于，所述至少一个突起(142)安装在所述出口平面附近。
9.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述燃烧动态变化减少系统(90)包括声波引入系统(167)，所述声波引入系统(167)包括可操作地连接到所述至少一个预混合器(38，39)上的声学驱动器(185)。
10.根据权利要求9所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述燃烧动态变化减少系统(90)包括流体引入系统(172)，所述流体引入系统(172)可操作地连接到所述至少一个预混合器(38，39)上。
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