CN102116475B - 燃烧器动态减轻的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃烧器动态减轻的方法和设备，提供一种用于燃烧器(10)的热声阻尼器，包括与燃烧器(10)的流动通道(40)流动连通的至少一个谐振器。谐振器包括封闭的容积和至少一个阻挡板(32)，至少一个阻挡板定位于封闭的容积中，将封闭的容积分成至少两个容积。多个输送管(38)自流动通道(40)向内延伸到至少两个容积中的至少一个内，且被配置成减少燃烧器(10)的热声动态。燃烧器(10)包括封闭的燃烧器盖容积(24)和延伸穿过该燃烧器盖容积(24)的多个燃料喷嘴(26)。至少一个阻挡板(32)位于燃烧器盖容积(24)中，将燃烧器盖容积(24)分成至少两个容积。多个输送管(38)自流动通道(40)向内延伸到至少两个容积中的至少一个内。

Description

燃烧器动态减轻的方法和设备
技术领域
本文所公开的主题大体而言涉及燃烧器。更具体而言，本公开内容涉及燃烧器中的燃烧动态(dynamics)的减轻。
背景技术
由于对燃气涡轮排放的要求变得越来越严格，满足这些要求的一种办法是在完全预混合操作模式期间从常规扩散火焰燃烧器移到利用贫燃料(lean fuel)与空气混合物(具有大约0.58至0.65的当量比)的燃烧器以减少(例如)NOx和CO的排放。这种燃烧器在本领域中被称作干式低NOx(DLN)、干式低排放(DLE)或贫预混合(LPM)燃烧系统。这种燃烧器通常包括容纳于筒(也被称作盖腔(cap cavity))中的多个燃料喷嘴。
由于这些燃烧器在这样的贫燃料/空气比例操作，速度波动的小变化可导致质量流量的较大变化和燃料空气波动。这些波动导致热释放速率的较大变化和盖腔中的高压波动。燃料/空气波动的相互作用、涡火焰相互作用和不稳定的热释放导致反馈回路机构，其导致燃烧系统中动态压力脉动。压力脉动的现象被称作热声或燃烧-动态不稳定性，或者通常地称作燃烧动态。高水平的燃烧动态限制了燃烧器的可操作性包络(operability envelope)，这限制了排放的减少和/或功率。另外，燃烧动态缩短了硬件寿命且导致对燃烧器构件的损坏，这导致燃烧器的停机时间，用于维修和/或替换构件。
发明内容
根据本发明的一方面，燃烧器包括封闭的燃烧器盖容积和延伸穿过燃烧器盖容积的多个燃料喷嘴。至少一个阻挡板位于燃烧器盖容积中，将燃烧器盖容积分成至少两个容积。多个输送管从流动通道向内延伸到至少两个容积中的至少一个内，且被配置成减少燃烧器的热声动态(thermo acoustic dynamics)。
根据本发明的另一方面，用于燃烧器的热声阻尼器(thermoacoustic damper)包括与燃烧器的流动通道流动连通的至少一个谐振器。谐振器包括封闭的容积和至少一个阻挡板，至少一个阻挡板定位于封闭的容积中，将封闭的容积分成至少两个容积。多个输送管从流动通道向内延伸到至少两个容积中的至少一个内，且被配置成减少燃烧器的热声动态。
根据本发明的又一方面，用于减少热声燃烧器动态的方法包括定位至少一个谐振器与燃烧器的流动通道流动连通。谐振器包括：封闭的容积；位于封闭的容积中的至少一个阻挡板，其将封闭的容积分成至少两个容积；以及，多个输送管，其从流动通道向内延伸到至少两个容积中至少一个内。该方法还包括引导流体流动通过流动通道且穿过多个输送管中至少一个输送管的开口端，且激发谐振器的谐振频率，从而减少热声燃烧器动态。
通过下文的描述，结合附图理解，这些和其它优点和特点将变得更明显。
附图说明
被认为是本发明的主题在说明书的结论中的权利要求书中特别地指出且明确地主张。通过结合附图来理解下文的详细的描述，本发明的前述和其它特点和优点将更明显，其中：
图1是燃烧器的实施例的截面图；
图2是燃烧器的实施例的另一截面图；
图3是图2的燃烧器的示意截面图；以及
图4是燃烧器的另一实施例的截面图。
发明详述参看附图以举例说明的方式解释本发明的实施例，以及优点和特点。
部件列表
  10   燃烧器
  12   盖组件
  14   上游端
  16   燃烧器衬套
  18   盖筒(cap barrel)
  20   背板
  22   溢流板(effusion plate)
  24   盖容积
  26   燃料喷嘴
  28   燃烧管(burner tube)
  30   开口
  32   阻挡板
  34   阻挡容积
  36   分隔容积
  38   输送管
  40   流动通道
  42   流动套筒
具体实施方式
在图1中示出燃烧器10的实施例。燃烧器在连接到燃烧器衬套16的上游端14包括盖组件12。盖组件12包括盖筒18，其在某些实施例中基本上为管状。背板20固定到盖筒18且限定盖组件12的上游范围。同样，溢流板22固定到盖筒18且限定盖组件12的下游范围。在图1所示的实施例中，背板20和溢流板22是圆形，但在本公开内容的范围内构想到背板20和溢流板22的其它配置。盖筒18、背板20和溢流板22之间限定盖容积24。多个燃料喷嘴26布置于燃烧器10中。在图示实施例中，多个燃料喷嘴26包括多个主燃料喷嘴26，多个主燃料喷嘴26绕次燃料喷嘴26设置成圆形图案，次燃料喷嘴26位于燃烧器10的中央。每个燃料喷嘴26由燃烧管28包围，且通过盖组件12的背板20中的开口30延伸到盖组件12内。包围每个燃料喷嘴26的燃烧管28延伸到溢流板22。
现参看图2，阻挡板32安置于盖容积24中在背板20与溢流板22之间。阻挡板32完全穿过盖容积24延伸，将盖容积24分成在阻挡板32与溢流板22之间的阻挡容积34和在阻挡板32与背板20之间的分隔容积36。多个输送管38从阻挡容积34延伸穿过盖筒18且到流动通道40内，流动通道40由盖筒18和燃烧器流动套筒42限定。在某些实施例中，输送管38具有圆形截面，但应了解在本范围内构想到其它截面形状。
如图3所示，阻挡容积34以及多个输送管38充当声音阻尼器，通过这种声音阻尼器，改变在输送管38位置的声压和速度且导致总系统声音变化。谐振器连接到没有稳定流动通过的流动通道40，谐振器可在频率(f)谐振，频率(f)由下列因素确定：多个输送管38的截面积(S)、多个输送管38的长度(L)和阻挡容积34的容积(V)。频率由方程式1给出：
(1)f＝(c/(2*π))*sqrt(S/(V*L))
其中“c”是声速。所需频率可通过以下方法实现：改变阻挡板32的位置，从而增加或减少阻挡容积34的容积(V)；和/或改变多个输送管38的长度(L)或截面积(S)。但是，有稳定流动进入的阻挡容积34未必充当谐振器，例如在通过输送管38的稳定流动的情况下，而是成功地充当热声阻尼器。为了减轻燃烧器10的自然频率，选择匹配频率，且设置V、L和S的特征以达成所需频率。为了实现所需L，输送管38可延伸到阻挡容积34内，如图2所示。在燃烧器10操作期间，有效地“调出”选定频率，从而防止与该自然频率相关联的燃烧动态问题发生。
在某些实施例中，多个输送管38绕盖筒18在周向等距隔开。但在其它实施例中，可能需要改变多个输送管38在周向的间距以不对称地调谐该燃烧器10。
在某些实施例中，可能需要调出燃烧器10的多于一个的自然频率。参看图4，通过提供从分隔容积36延伸穿过盖筒18到流动通道40内的多个输送管38，而实现调出两个自然频率，从而限定利用分隔容积36的第二谐振器。如同利用阻挡容积34的谐振器，可选择特定L和S以产生所需谐振频率f。虽然在图4中示出谐振器和单个阻挡板32，应了解额外阻挡板32可安装于盖容积24中，从而在其中形成额外容积。通过将多个输送管38安装于额外容积中，可调出燃烧器更多的自然频率。
利用阻挡板32和多个输送管38有效地减轻燃烧动态而不会影响通过流动通道40的流动。另外，阻挡板32可安装于现有燃烧器10内的所需位置，而无需修改其它燃烧器10构件，且阻挡板的位置可根据具体燃烧器10自然频率定制。
虽然仅结合有限的几个实施例描述了本发明，但应容易理解本发明并不限于这些公开的实施例。而是，可修改本发明以结合之前未描述的任意多个变型、更改、替代或等效布置，但这些仍与本发明的实质和范围相符。此外，虽然描述了本发明的各种实施例，应了解本发明的方面可仅包括所描述实施例中的某些。因此，本发明不应视作受前文的描述限制，而是仅受所附权利要求书的范围限制。

Claims (10)

1.一种燃烧器(10)，包括：
封闭的燃烧器(10)盖容积；
多个燃料喷嘴(26)，其延伸穿过所述燃烧器(10)盖容积；
至少一个阻挡板(32)，其安置于所述燃烧器盖容积中，将燃烧器盖容积(24)轴向分成第一容积和第二容积；以及
第一输送管(38)，其自流动通道径向向内延伸到所述第一容积中，所述流动通道径向设置在所述燃烧器(10)盖容积的外侧上；
第二输送管(38)，其自所述流动通道径向向内延伸到所述第二容积中；
所述第一容积和第二容积从所述流动通道流动一定容积的空气进入所述燃烧器(10)盖容积以减少所述燃烧器(10)的热声动态。
2.根据权利要求1所述的燃烧器(10)，其中所述第一和第二输送管(38)和所述第一和第二容积容积中的至少一个充当热声阻尼器。
3.根据权利要求2所述的燃烧器(10)，其中所述热声阻尼器的谐振器频率抵消所述燃烧器(10)的自然频率。
4.根据权利要求3所述的燃烧器(10)，其中所述谐振器频率取决于下列因素中的一个或多个：第一容积和/或第二容积的大小、所述第一和第二输送管(38)的长度以及所述第一和第二输送管(38)的截面积。
5.根据权利要求1所述的燃烧器(10)，其中所述至少一个阻挡板(32)的位置由待抵消的所述燃烧器(10)的自然频率确定。
6.一种用于减少热声燃烧器(10)动态的方法，包括：
将至少一个热声阻尼器安置成与所述燃烧器(10)的流动通道流动连通，所述至少一个热声阻尼器包括：
径向设置在所述流动通道的内侧上的封闭的容积；
至少一个阻挡板(32)，其安置于所述封闭的容积中，且轴向将所述封闭的容积分成第一容积和第二容积；
第一输送管(38)，其自流动通道径向向内延伸到所述第一容积中；以及
第二输送管(38)，其自流动通道径向向内延伸到所述第二容积中；
引导流体流动通过流动通道且穿过所述第一输送管(38)和第二输送管(38)的开口端；
引导流动进入所述第一输送管(38)和第二输送管(38)的所述流体的至少一部分进入所述封闭的容积；以及
激发所述至少一个热声阻尼器的谐振频率，从而减少所述热声燃烧器动态。
7.根据权利要求6所述的方法，其包括经由所述谐振频率来抵消所述燃烧器(10)的自然频率。
8.根据权利要求6所述的方法，其中通过调整下列因素中的一个或多个来确定所述谐振频率：第一容积和/或第二容积的大小、所述第一和第二输送管(38)的长度以及所述第一和第二输送管(38)的截面积。
9.根据权利要求6所述的方法，其包括将所述第一和第二输送管(38)分别对应安置于所述第一容积和第二容积中。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一容积和第二容积中的每个容积充当谐振器以抵消所述燃烧器(10)的独特自然频率。
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