CN103032897A - 包括燃烧动力减缓系统的涡轮机燃烧室总成 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种包括燃烧动力减缓系统的涡轮机燃烧室总成。所述涡轮机燃烧室包括：燃烧室盖，所述燃烧室盖具有盖表面以及围绕所述盖表面延伸以形成盖空间的壁；以及多个喷嘴构件，所述多个喷嘴构件从所述盖表面延伸。所述多个喷嘴构件包括中心喷嘴构件以及一个或多个外部喷嘴构件。燃烧室动力减缓系统布置在所述燃烧室盖中，并且包括从所述壁朝所述中心喷嘴构件延伸的多个分隔物构件。所述多个分隔物构件形成多个平行谐振器空间。所述燃烧室动力减缓系统还包括延伸到所述多个平行谐振器空间中的相应一个空间内的多个管。

Description

包括燃烧动力减缓系统的涡轮机燃烧室总成
背景技术
本发明涉及涡轮机领域，确切地说，涉及一种包括燃烧动力减缓系统(combustor dynamics mitigation system)的涡轮机燃烧室总成。
鉴于对燃气涡轮机排放量的要求越来越严格，满足此类要求的一个方法是使传统的火焰扩散燃烧室发展为在完全预混合操作期间使用贫燃料/空气混合物(lean fuel/air mixtures)以减少NOx和CO等的排放量的燃烧室/燃烧装置。现有技术中已知的这些燃烧室是干式低NOx(DLN)燃烧系统、干式低排放量(DLE)燃烧系统、或贫燃料预混合(LPM)燃烧系统。此类燃烧室通常包括安装在筒中的多个燃料喷嘴，所述筒也被称作盖腔。
由于这些燃烧室在此类贫燃料/空气比下运行，因此速率中的较小变化可导致质量流中发生较大变化，从而可能导致燃料/空气波动。这些波动可以导致放热率发生较大变化，并且导致盖腔中产生高压波动。燃料/空气波动、旋流火焰相互作用、以及不稳定的放热之间的相互作用可能导致在燃烧系统中引起动压脉冲的反馈回路机制。此压力脉冲的现象被称为热声或燃烧动力不稳定性，或者一般来说，称作燃烧动力(combustion dynamics)。高级别的燃烧动力通过对排放量减少和功率输出进行限制来限制燃烧室的运行包络。此外，燃烧动力的存在使得硬件寿命缩短。具体而言，燃烧动力可以对燃烧室部件造成损坏，这些部件将需要进行维修。维修燃烧室部件需要使涡轮机离线。因此，除了与维修燃烧室部件关联的成本之外，还存在因涡轮机运行时间损失而导致的额外成本。
发明内容
根据本发明示例性实施例的一方面，涡轮机燃烧室包括：燃烧室盖，所述燃烧室盖具有盖表面、以及围绕所述盖表面延伸以形成盖空间的壁；以及多个喷嘴构件，所述多个喷嘴构件从所述盖表面延伸。所述多个喷嘴构件包括中心喷嘴构件以及一个或多个外部喷嘴构件。燃烧室动力减缓系统布置在所述燃烧室盖中，并且包括从所述壁朝所述中心喷嘴构件延伸的多个分隔物构件。所述多个分隔物构件形成多个平行谐振器空间。所述燃烧室动力减缓系统还包括延伸到所述多个平行谐振器空间中的相应一个空间内的多个管。
其中，一个或多个喷嘴构件包括至少两个相邻的喷嘴构件，所述多个分隔物构件中的一个分隔物构件在所述至少两个相邻的喷嘴构件之间延伸。所述多个分隔物构件中的至少一个分隔物构件与所述一个或多个喷嘴构件中的一个喷嘴构件相交。所述一个或多个喷嘴构件包括至少两个相邻的喷嘴构件，所述多个分隔物构件中的至少两个分隔物构件在所述至少两个相邻的喷嘴构件之间延伸。所述多个平行谐振器空间中的每个空间大体相同；或者，其中所述多个平行谐振器空间中的至少一个空间的大小与所述多个平行谐振器空间中的其他空间的大小不同。流体流路围绕所述壁延伸，所述流体流路经配置和设置以将流体流传输到所述多个平行谐振器空间中的每个空间内。
所述多个平行谐振器空间经过大小调整以产生一个特定频率，所述特定频率经配置和设置以减缓所述燃烧室的预定固有频率；或者，其中所述多个平行谐振器空间中的每个空间经过大小调整以产生多个特定频率，所述多个特定频率经配置和设置以减缓所述燃烧室的多个固有频率。所述多个管中的每个管延伸穿过所述盖表面。所述涡轮机进一步包括：多个腔室，其经配置和设置以将压缩机空气传输到所述多个平行谐振器空间中的每个空间内，所述多个腔室中的每个腔室从所述壁延伸到所述中心喷嘴构件，并且包括流体相通地连接到所述多个平行谐振器空间中的至少一个空间的一个或多个导管。
根据本发明示例性实施例的另一方面，燃气涡轮机包括：压缩机部分；涡轮机部分，所述涡轮机部分可操作地连接到所述压缩机部分；以及燃烧室总成，所述燃烧室总成流体相通地连接到所述压缩机部分和所述涡轮机部分。所述燃烧室总成包括燃烧室盖，所述燃烧室盖具有盖表面以及围绕所述盖表面延伸以形成盖空间的壁。多个喷嘴构件从所述盖表面延伸。所述多个喷嘴构件包括中心喷嘴构件以及一个或多个外部喷嘴构件。多个分隔物构件从壁朝所述中心喷嘴构件延伸。所述多个分隔物构件形成多个平行谐振器空间。多个管延伸到所述多个平行谐振器空间中的相应一个空间中内。
其中，一个或多个喷嘴构件包括至少两个相邻的喷嘴构件，所述多个分隔物构件中的一个分隔物构件在所述至少两个相邻的喷嘴构件之间延伸。所述多个分隔物构件中的至少一个分隔物构件与所述一个或多个喷嘴构件中的一个喷嘴构件相交。所述一个或多个喷嘴构件包括至少两个相邻的喷嘴构件，所述多个分隔物构件中的至少两个分隔物构件在所述至少两个相邻的喷嘴构件之间延伸。所述多个平行谐振器空间中的每个空间大体相同；或者，所述多个平行谐振器空间中的至少一个空间的大小与所述多个平行谐振器空间中的其他空间的大小不同。
所述燃气涡轮机进一步包括：围绕所述壁延伸的流体流路，所述流体流路经配置和设置以将流体流传输到所述多个平行谐振器空间中的每个空间内。所述多个平行谐振器空间经过大小调整以产生一个特定频率，所述特定频率经配置和设置以减缓所述燃烧室的预定固有频率；或者，所述多个平行谐振器空间中的每个空间经过大小调整以产生多个特定频率，所述多个特定频率经配置和设置以减缓所述燃烧室的多个固有频率。
根据本发明示例性实施例的另一方面，一种减缓涡轮机燃烧室总成中的燃烧室动力的方法包括：将流体流输送到所述燃烧室总成中的燃烧室盖中；使所述流体流的一部分转入布置在所述燃烧室盖的盖空间内的多个平行谐振器空间中；以及在所述平行谐振器空间中的至少一个空间内产生至少一个频率，所述频率经配置和设置以使所述燃烧室总成的固有频率失谐，从而减缓燃烧室动力。
通过以下结合附图进行的说明可以更加清楚地了解这些和其他优点以及特征。
附图说明
本专利申请中的权利要求书特别指出并明确主张了本发明。通过以下结合附图进行的详细说明可以清楚地了解本发明的上述和其他特征以及优点，在附图中：
图1是根据本发明一个示例性实施例的燃气涡轮机系统的示意图，所述燃气涡轮机系统包括具有燃烧动力减缓系统的燃烧室总成；
图2是图1所示燃烧室总成的燃烧室盖的透视图；
图3是图2所示燃烧室盖的局部截面图；以及
图4是根据示例性实施例的另一方面的燃烧室盖的局部透视图。
具体实施方式通过参考附图以实例方式介绍本发明的各实施例以及优点和特征。
元件符号列表：
Figure BDA00002207238500041
Figure BDA00002207238500051
具体实施方式
参考图1到2，根据本发明一个示例性实施例的燃气涡轮机大体上指示在2处。燃气涡轮机2包括通过共用压缩机/涡轮机轴8可操作/有效地连接到涡轮机部分6的压缩机部分4。压缩机部分4还经由多个筒环形燃烧室总成流体相通地连接到涡轮机部分6，其中一个筒环形燃烧室总成指示在12处。在所示示例性实施例中，燃烧室组件12包括燃烧室盖16，所述燃烧室盖具有支撑喷射嘴组件21的主体18。喷射嘴组件21通过多个支撑构件与主体18隔开以形成流体流路28，其中一个支撑构件指示在25处。
喷射嘴组件21包括背板或盖表面32，该背板或盖表面由壁35环绕以共同或集中形成盖空间40。喷射嘴组件21还包括从盖表面32延伸的多个喷嘴构件44。所述多个喷嘴构件44包括中心喷嘴构件47、以及围绕中心喷嘴构件47区域排列的多个外部喷嘴构件50到54。根据示例性实施例，喷射嘴组件21包括燃烧室动力减缓系统60，该系统经配置以减小和/或消除燃烧室总成12中的燃烧动力。
根据示例性实施例，燃烧室动力减缓系统60包括延伸穿过盖空间40的多个分隔物构件70到74。具体而言，分隔物构件70到74从中心喷嘴构件47延伸到壁35，位于外部喷嘴构件50到50中相邻的一个个喷嘴构件之间，以形成多个平行谐振器空间80到84。每个谐振器空间80到84经由相应多个管来流体相通地连接到流体流路28，其中一个管在图3中指示在87处。如将在下文更完整地描述，管87将流体流传输到平行谐振器空间80到84中的相应一个空间内以产生一个频率，该频率抵消了燃烧室总成12中的固有频率，从而减小和/或消除燃烧动力。
根据一个示例性实施例，通常以来自压缩机部分4的压缩空气形式的流体通过流体流路28流向燃烧室盖16的头端(未图示)。压缩空气与燃料混合，并且通过喷射嘴(未单独标记)进行输送以在燃烧室总成12中进行燃烧。燃料和空气流中的波动、旋流火焰相互作用、以及不稳定的放热一起导致燃烧系统中的动压脉冲。动压脉冲具有固有频率(natural frequency)，该固有频率通过将空气从流体流路引入多个平行谐振器空间80到84中的每个空间内来大体上被抵消。
平行谐振器空间80到84与管87一起用作消声器(acousticdamper)。在管的位置处，声学压力和流速发生改变，从而导致整个系统发生声学变化。连接到流体流路28的每个行谐振器空间80到84经过大小调整，从而以一个频率(f)进行谐振，该频率(f)由每个管87的截面面积(S)、每个管87的长度(L)、以及多个平行谐振器空间80到84中的每个空间的体积(V)来确定。所述频率从以下公式得出：
f＝(c/(2*π))*sqrt(S/(V*L))
其中“c”是声音的速度。所需频率可以通过改变所述多个平行谐振器空间80到84中的一个或多个空间的体积来实现。为了减缓燃烧室总成12的固有频率，因此选择匹配频率并且设置V、L和S的特征，从而达到/获得所需频率。为了实现所需的L，一个或多个管87可以延伸到多个平行谐振器空间80到84中的相应一个空间内。在燃烧室总成12的运行期间，所选频率使动压脉冲所产生的固有频率有效地“失谐”(“turn out”)，从而阻止和/或大体消除与燃烧动力的出现所关联的问题。
现将参考图4说明根据本发明另一示例性实施例的燃烧室盖110。燃烧室盖110包括支撑喷射嘴组件116的主体114。喷射嘴组件116通过多个支撑构件与主体114隔开以形成流体流路123，其中一个支撑构件指示在119处。喷射嘴组件116包括背板或盖表面128，该背板或盖表面由壁131环绕以共同/集中形成盖空间135。喷射嘴组件116还包括从盖表面128延伸的多个喷嘴构件138。多个喷嘴构件138包括中心喷嘴构件142、以及围绕中心喷嘴构件142排列的多个外部喷嘴构件，其中四个外部喷嘴构件指示在144到147处。根据示例性实施例，喷射嘴组件116包括燃烧室动力减缓系统150，所述系统经配置以减少和/或消除燃烧室总成12中的燃烧动力。
根据示例性实施例，燃烧室动力减缓系统150包括延伸穿过盖空间135的多个分隔物构件152到156。具体而言，分隔物构件152到156从中心喷嘴构件142延伸到壁131以形成多个平行谐振器空间158、161、164、168和170。在所示示例性实施例中，平行谐振器空间158、161、164、168和170彼此互不相同。也就是说，每个平行谐振器空间158、161、164、168和170基于每个分隔物构件152到156的特定位置而具有不同的体积大小/尺寸，如将在下文中更完整地描述。
不同体积大小通过对多个分隔物构件进行布置来实现，所述多个分隔物构件例如，位于相邻外部喷嘴构件144和145之间的分隔物153和分隔物154。通过外部喷嘴构件来隔断分隔物构件也会影响体积大小。也就是说，分隔物构件155包括在壁131和外部喷嘴构件145之间延伸的第一部分180，以及在外部喷嘴构件145与中心喷嘴构件142之间延伸的第二部分182。调整体积大小可以在控制燃烧动力过程中实现较大灵活性。此外，通过形成具有不同大小的平行谐振器空间，燃烧动力减缓系统150可使燃烧室总成12产生的多个固有频率“失谐”。
在此点上，应了解，本发明示例性实施例也描述了一种用于减缓燃气涡轮机燃烧室总成中的燃烧动力的方法。所述燃烧室总成包括燃烧室盖，该燃烧室盖具有布置在其中的多个平行谐振器空间，这些平行谐振器空间流体相通地连接到压缩机空气流。多个平行谐振器空间以及流体相通地连接压缩机流和每个平行谐振器空间的管一起经过大小调整，以使燃烧室总成中的动压脉冲所产生的燃烧动力“失谐”。因此，应了解，平行谐振器空间的数量、大小和布置可以不同。还应了解，将压缩机空气提供到谐振器空间的管的位置可以不同。例如，如图5所示，其中类似参考标号表示相应视图中的相应部分，管200所示为延伸穿过盖表面32。图6中类似参考标号表示相应视图中的相应部分，该图所示为将压缩机空气传输到每个平行谐振器空间内的多个腔室(plenums)，其中一个腔室指示在215处。腔室215从盖壁131延伸到中心喷嘴52，并且包括将压缩机空气传输到相应平行谐振器空间内的多个导管，其中一个导管指示在220处。
虽然仅结合有限数量的实施例来详细描述本发明，但应理解，本发明并不限于此类披露的实施例。相反，本发明可经修改以涵盖所有之前并未描述、但与本发明的精神和范围相符合的任意数目的变化、更改、替换或等效布置。此外，尽管已描述本发明的不同实施例，但应理解，本发明的各方面可仅包括所述实施例中的一些实施例。因此，本发明不应视为受以上描述限制，而是仅受所附权利要求书的范围限制。

Claims (20)

1.一种涡轮机燃烧室，包括：
燃烧室盖，所述燃烧室盖包括盖表面以及围绕所述盖表面延伸以形成盖空间的壁；
多个喷嘴构件，其从所述盖表面延伸，所述多个喷嘴构件包括中心喷嘴构件以及一个或多个外部喷嘴构件；以及
燃烧室动力减缓系统，其布置在所述燃烧室盖中，所述燃烧室动力减缓系统包括：
多个分隔物构件，其从壁朝所述中心喷嘴构件延伸，所述多个分隔物构件形成多个平行谐振器空间；以及
多个管，所述管延伸到所述多个平行谐振器空间中的相应一个空间内。
2.根据权利要求1所述的涡轮机燃烧室，其中一个或多个喷嘴构件包括至少两个相邻的喷嘴构件，所述多个分隔物构件中的一个分隔物构件在所述至少两个相邻的喷嘴构件之间延伸。
3.根据权利要求1所述的涡轮机燃烧室，其中所述多个分隔物构件中的至少一个分隔物构件与所述一个或多个喷嘴构件中的一个喷嘴构件相交。
4.根据权利要求1所述的涡轮机燃烧室，其中所述一个或多个喷嘴构件包括至少两个相邻的喷嘴构件，所述多个分隔物构件中的至少两个分隔物构件在所述至少两个相邻的喷嘴构件之间延伸。
5.根据权利要求1所述的涡轮机燃烧室，其中所述多个平行谐振器空间中的每个空间大体相同。
6.根据权利要求1所述的涡轮机燃烧室，其中所述多个平行谐振器空间中的至少一个空间的大小与所述多个平行谐振器空间中的其他空间的大小不同。
7.根据权利要求1所述的涡轮机燃烧室，其中流体流路围绕所述壁延伸，所述流体流路经配置和设置以将流体流传输到所述多个平行谐振器空间中的每个空间内。
8.根据权利要求1所述的涡轮机燃烧室，其中所述多个平行谐振器空间经过大小调整以产生一个特定频率，所述特定频率经配置和设置以减缓所述燃烧室的预定固有频率。
9.根据权利要求1所述的涡轮机燃烧室，其中所述多个平行谐振器空间中的每个空间经过大小调整以产生多个特定频率，所述多个特定频率经配置和设置以减缓所述燃烧室的多个固有频率。
10.根据权利要求1所述的涡轮机燃烧室，其中所述多个管中的每个管延伸穿过所述盖表面。
11.根据权利要求1所述的涡轮机，进一步包括：多个腔室，其经配置和设置以将压缩机空气传输到所述多个平行谐振器空间中的每个空间内，所述多个腔室中的每个腔室从所述壁延伸到所述中心喷嘴构件，并且包括流体相通地连接到所述多个平行谐振器空间中的至少一个空间的一个或多个导管。
12.一种燃气涡轮机，包括：
压缩机部分；
涡轮机部分，其有效地连接到所述压缩机部分；以及
燃烧室总成，其流体相通地连接到所述压缩机部分和所述涡轮机部分，所述燃烧室总成包括：
燃烧室盖，所述燃烧室盖包括盖表面以及围绕所述盖表面延伸以形成盖空间的壁；以及
多个喷嘴构件，其从所述盖表面延伸，所述多个喷嘴构件包括中心喷嘴构件以及一个或多个外部喷嘴构件；以及
燃烧室动力减缓系统，其布置在所述燃烧室盖中，所述燃烧室动力减缓系统包括：
多个分隔物构件，其从所述壁朝所述中心喷嘴构件延伸，所述多个分隔物构件形成多个平行谐振器空间；以及
多个管，所述管延伸到所述多个平行谐振器空间中的相应一个空间内。
13.根据权利要求12所述的燃气涡轮机，其中一个或多个喷嘴构件包括至少两个相邻的喷嘴构件，所述多个分隔物构件中的一个分隔物构件在所述至少两个相邻的喷嘴构件之间延伸。
14.根据权利要求12所述的燃气涡轮机，其中所述多个分隔物构件中的至少一个分隔物构件与所述一个或多个喷嘴构件中的一个喷嘴构件相交。
15.根据权利要求12所述的燃气涡轮机，其中所述一个或多个喷嘴构件包括至少两个相邻的喷嘴构件，所述多个分隔物构件中的至少两个分隔物构件在所述至少两个相邻的喷嘴构件之间延伸。
16.根据权利要求12所述的燃气涡轮机，其中所述多个平行谐振器空间中的每个空间大体相同。
17.根据权利要求12所述的燃气涡轮机，其中所述多个平行谐振器空间中的至少一个空间的大小与所述多个平行谐振器空间中的其他空间的大小不同。
18.根据权利要求12所述的燃气涡轮机，进一步包括：围绕所述壁延伸的流体流路，所述流体流路经配置和设置以将流体流传输到所述多个平行谐振器空间中的每个空间内。
19.根据权利要求12所述的涡燃气涡轮机，其中所述多个平行谐振器空间经过大小调整以产生一个特定频率，所述特定频率经配置和设置以减缓所述燃烧室的预定固有频率。
20.根据权利要求12所述的燃气涡轮机，其中所述多个平行谐振器空间中的每个空间经过大小调整以产生多个特定频率，所述多个特定频率经配置和设置以减缓所述燃烧室的多个固有频率。
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