CN103075744A - 对燃烧器的一部分温度控制和阻尼的涡轮机燃烧器及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开对燃烧器的一部分温度控制和阻尼的涡轮机燃烧器及方法，该涡轮机燃烧器包括联接至燃烧器的壁的外部构件，其中至少一个阻尼孔形成在外部构件中。该涡轮机燃烧器进一步包括形成在壁中的至少一个温度控制孔，其中该至少一个温度控制孔形成为相对于与燃烧器中的热气体路径垂直的线成一定角度。

Description

对燃烧器的一部分温度控制和阻尼的涡轮机燃烧器及方法
技术领域
本说明书公开的主题涉及涡轮机。更具体地，该主题涉及涡轮机的燃烧动力学(combustion dynamics)控制和温度控制。
背景技术
在燃气涡轮发动机中，燃烧器将燃料或空气-燃料混合物的化学能转化成热能。热能通过流体(通常是来自压缩机的空气)被输送至涡轮机，热能在涡轮机处转化成机械能。若干因素对热能转化成机械能的效率产生影响。所述因素可以包括轮叶通过频率、燃料供给波动、燃料类型和反应性、燃烧器迎面体积、燃料喷嘴设计、空气-燃料分布、火焰形状、空气-燃料混合、火焰保持、燃烧温度、涡轮机部件设计、热气体路径温度稀释、以及排气温度。
例如，涡轮发动机中的选定位置(例如燃烧器)中的高燃烧温度可以使得能够实现改进的燃烧效率和发电。在一些情况下，高温可能缩短某些部件的寿命并且增加某些部件的磨损。
此外，涡轮发动机的有效操作还可能涉及对燃烧动力学(即操作中的动力失稳)进行管理。动力学(dynamics)通常是由涡轮机的区域内(例如燃烧器内)的例如排放气体的温度以及振荡压力水平的状况下的波动造成的。由于例如机械疲劳和热疲劳的因素，高动力学能够对发动机的硬件寿命和可操作性产生限制。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种涡轮机燃烧器包括联接至燃烧器的壁的外部构件，其中至少一个阻尼孔形成在外部构件中。该涡轮机燃烧器进一步包括形成在壁中的至少一个温度控制孔，其中该至少一个温度控制孔形成为相对于与燃烧器中的热气体路径垂直的线成一定角度。
根据本发明的另一个方面，一种用于对燃烧器的一部分进行温度控制和阻尼的方法包括使处理流体(treatment fluid)流过外部构件中的至少一个阻尼孔，该外部构件联接至燃烧器的壁，其中该外部构件形成接收处理流体的谐振腔。该方法进一步包括使处理流体从谐振腔流过形成在壁中的至少一个温度控制孔，其中该至少一个温度控制孔形成为相对于与燃烧器中的热气体路径垂直的线成一定角度。
通过以下结合附图的描述，这些以及其它的优点和特征将变得更加显而易见。
附图说明
说明书结论处的权利要求中特别指出并且明确要求保护被认为是本发明的主题。通过以下结合附图的详细描述，本发明的上述和其它的特征以及优点是显而易见的，在附图中：
图1是燃气涡轮机系统的一个实施例的示意图；
图2是示例性燃烧器的一部分的剖视详细视图；以及
图3是另一个示例性燃烧器的一部分的剖视详细视图。
通过参照附图的示例，具体实施方式解释本发明的实施例以及优点和特征。
附图标记列表：
Figure BDA00002176276000021
Figure BDA00002176276000031
具体实施方式
图1是燃气涡轮机系统100的一个实施例的示意图。系统100包括压缩机102、燃烧器104、涡轮机106、轴108和燃料喷嘴110。在一个实施例中，系统100可以包括多个压缩机102、燃烧器104、涡轮机106、轴108和燃料喷嘴110。如图所示，压缩机102和涡轮机106通过轴108联接。轴108可以是单个轴或者联接在一起以形成轴108的多个轴段。
在一个方面中，燃烧器104使用液体燃料和/或气体燃料(例如天然气或者富含氢的合成气)来运行涡轮发动机。例如，燃料喷嘴110与燃料供给和来自压缩机102的加压空气流体连通。燃料喷嘴110产生空气-燃料混合物，并且将空气-燃料混合物排放到燃烧器104中，由此造成能够产生热加压排放气体的燃烧。燃烧器104使热加压排放气体通过过渡件导入涡轮机喷嘴(或者“一级喷嘴”)中，从而使得涡轮机106随着气体离开喷嘴或叶片并且被引导至涡轮机斗叶或轮叶而旋转。涡轮机106的旋转使得轴108旋转，由此在空气流入压缩机102时对空气进行压缩。在一个实施例中，热气体流过涡轮机的一部分(例如燃烧器104)，从而由于不均匀的温度而造成涡轮机部件的磨损和热疲劳。对燃烧器104的部件的温度的控制能够减少磨损并且使得燃烧温度能够提高，由此改进性能。此外，由于压力变化和燃烧(即燃烧动力学)而引起的振荡和振动也能够造成燃烧器104的一部分的磨损。可以通过选定的机构(例如谐振器)控制和减小燃烧动力学，以减少磨损并且提高燃烧器104的寿命。下面参照图2至图3详细讨论对燃烧器104的燃烧动力学以及燃烧器104的温度的控制。
图2是示例性燃烧器200的一部分的详细剖视图。燃烧器200包括外部构件202，外部构件202联接至壁204的外侧。一个或多个孔206或者通路形成在外部构件202中，以使得流体流208能够通向形成在外部构件202和壁204内的腔210。在一个实施例中，外部构件202和孔206(也称作“阻尼孔”)形成联接至壁204的谐振设备，以控制和减小燃烧动力学。如图所示，例如空气流的冷却流体流212(也称作“处理流体”)将流体流208供给到腔210中。壁204还包括一个或多个孔214或者通路，以用于朝向热气体路径218或流将流体流216引导至燃烧器内侧。孔214(也称作“冷却孔”或者“温度控制孔”)可以位于外部构件202外侧或者外部构件202内，其中外部构件202内的孔与腔210流体连通。在一个实施例中，孔214形成为相对于与热气体路径218垂直的线成角度220。孔使得能够通过流体流216对燃烧器200和壁204进行扩散(effusion)温度控制和冷却。在一些实施例中，角度220处于从大约10度至大约80度的范围内。在其它实施例中，角度220处于从大约15度至大约60度的范围内。在又一些实施例中，角度220处于从大约15度至大约45度的范围内。应当理解，示例可以包括对燃烧器20的冷却的讨论，然而，实施例还可以包括对燃烧器的温度控制或处理，其中燃烧器的温度保持在一定温度处或者被允许以选定的速率升高。
图3是示例性燃烧器300的一部分的详细剖视图。燃烧器300包括外部构件302，外部构件302联接至壁304的外侧部分。一个或多个孔306或者通路形成在外部构件302中，以使得流体流308能够通向形成在外部构件302和壁304内的腔310。在一个实施例中，外部构件302和孔306(也称作“阻尼孔”)形成联接至燃烧器300的谐振设备，以控制和减小燃烧动力学。如图所示，例如空气流的冷却流体流312(也称作“处理流体”)的一部分形成被导入腔310中的流体流308。壁304还包括一个或多个孔314或者通路(也称作“冷却孔”或者“温度控制孔”)，所述一个或多个孔314或者通路构造成沿形成在壁304的内侧320上的一个或多个构件318将流体流316引导至燃烧器300内侧。构件318构造成沿内侧320引导流体流316，以使得能够对壁304进行冷却。构件318可以具有任何合适的形状以使得流体流316沿期望的方向，例如翼型件、轮叶、脊、翼或者任何其它合适的几何形状。如图所示，构件318横向(laterally)偏置或者交错，但是可以以任何合适的方式进行布置，从而通过流体流316来控制燃烧器300的一部分的温度。在一些实施例中，构件318形成用于流体流316的流动部件，所述流动部件与热气体路径324和燃烧器300的轴线325基本平行。在一个实施例中，孔314可以位于外部构件302的外侧或者位于外部构件302内，其中外部构件302内的孔与腔310流体连通。此外，示例性的孔314可以包括接近构件318的一个或多个孔，而其它的孔314可以定位成基本远离构件318或者从构件318移除。在一个实施例中，孔314形成为相对于与热气体路径324垂直的线形成角度322，因此使得能够通过流体流316对燃烧器300和壁304的至少一部分进行冷却。在一些实施例中，角度322可以处于从大约10度至大约80度之间的范围内。在其它实施例中，角度322可以处于从大约15度至大约60度之间的范围内。在又一些实施例中，角度322可以处于从大约15度至大约45度之间的范围内。
孔206、214、306、314可以具有构造成将流体流引导至燃烧器200、300的一部分的任何合适的几何形状和取向。孔的横截面流动区域的示例性几何形状可以呈圆形、直角形、卵形、椭圆形、矩形或者其它合适的形状。在一些实施例中，燃烧器200、300的壁204、304外侧的冷却流体流212、312处于大约400度至大约800度华氏温度(F)之间。此外，壁204、304内侧的燃烧器200、300的温度处于从大约2500华氏度至大约3500华氏度的范围内。因此，流向燃烧器200、300(以及用于燃烧器300的构件318)内侧的流体流208、308以及214、314的冷却流体212、312为涡轮机部件提供改进的温度控制和/或冷却，从而减少磨损。此外，外部构件202、302以及孔206、306的布置起到谐振设备的作用，以提供阻尼并且控制燃烧动力学。在一些实施例中，外部构件202、302联接至壁204、302，以形成Hemholtz谐振器，该Hemholtz谐振器构造成提供阻尼并且控制燃烧动力学。在一个实施例中，谐振器被调谐至燃烧动力学频率并且由此构造成对处于选定频率的燃烧动力学进行阻尼。因此，图示的布置通过改进温度控制同时控制示例性燃烧器200、300的燃烧动力学而改进涡轮机稳定性以及性能。在实施例中，燃烧器200、300的所示部分可以是燃烧器的任何部分，其包括但不限于衬套或帽区域。
尽管仅结合数量有限的实施例对本发明进行了详细描述，但是应当易于理解，本发明并不限于这种所公开的实施例。相反，能够将本发明修改成结合到目前为止未进行描述但是与本发明的精神和范围相当的任何数量的改型、变型、替代或等同布置。此外，尽管已经对本发明的各种实施例进行了描述，但是应当理解，本发明的各个方面可以仅包括所述实施例中的一些。因此，本发明并不受到以上描述的限制，而是仅仅通过所附权利要求的范围进行限定。

Claims (20)

1.一种涡轮机燃烧器，所述涡轮机燃烧器包括：
外部构件，所述外部构件联接至所述燃烧器的壁，其中至少一个阻尼孔形成在所述外部构件中；以及
至少一个温度控制孔，所述至少一个温度控制孔形成在所述壁中，其中所述至少一个温度控制孔形成为相对于与所述燃烧器中的热气体路径垂直的线成一定角度。
2.根据权利要求1所述的涡轮机燃烧器，其特征在于，多个阻尼孔形成在所述外部构件中。
3.根据权利要求1所述的涡轮机燃烧器，其特征在于，多个温度控制孔形成在所述壁中，其中所述多个温度控制孔形成为相对于与所述热气体路径垂直的线成一定角度。
4.根据权利要求3所述的涡轮机燃烧器，其特征在于，所述多个温度控制孔均形成为相对于与所述热气体路径垂直的线成大约10度至大约80度的角度。
5.根据权利要求3所述的涡轮机燃烧器，其特征在于，所述涡轮机燃烧器包括形成在所述壁的内侧上的多个构件，其中每个构件都接近每个温度控制孔，所述多个构件构造成沿所述壁的内侧引导处理流体。
6.根据权利要求1所述的涡轮机燃烧器，其特征在于，所述至少一个温度控制孔形成为相对于与所述热气体路径垂直的线成大约10度至大约80度的角度，所述至少一个温度控制孔为所述壁提供扩散温度控制。
7.根据权利要求1所述的涡轮机燃烧器，其特征在于，所述涡轮机燃烧器包括至少一个构件，所述至少一个构件形成在所述壁的内侧上并且接近所述至少一个温度控制孔，所述至少一个构件构造成沿所述壁的内侧引导处理流体。
8.根据权利要求1所述的涡轮机燃烧器，其特征在于，联接至所述燃烧器的所述壁的所述外部构件形成被调谐至燃烧动力学频率的Hemholtz谐振器。
9.一种用于阻尼和温度控制燃烧器的一部分的设备，所述设备包括：
外部构件，所述外部构件联接至燃烧器部件的壁，至少一个阻尼孔形成在所述外部构件中，以用于对处理流体进行阻尼并且接收处理流体，由此形成谐振腔；
至少一个温度控制孔，所述至少一个温度控制孔形成在所述壁中，其中所述温度控制孔构造成朝向所述燃烧器部件的所述壁内侧的热气体路径从所述谐振腔引导处理流体；以及
至少一个构件，所述至少一个构件形成在所述壁的内侧上并且接近所述至少一个温度控制孔，所述至少一个构件构造成沿所述壁的内侧引导处理流体。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述至少一个温度控制孔形成为相对于与所述燃烧器中的热气体路径垂直的线成一定角度。
11.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，多个阻尼孔形成在所述外部构件中。
12.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，多个温度控制孔形成在所述壁中，其中所述多个温度控制孔形成为相对于与所述燃烧器中的热气体路径垂直的线成一定角度。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述多个温度控制孔均形成为相对于与所述燃烧器中的热气体路径垂直的线成大约10度至大约80度之间的角度。
14.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述设备包括形成在所述壁的内侧上的多个构件，其中每个构件都接近每个温度控制孔，所述多个构件构造成沿所述壁的内侧引导处理流体。
15.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述至少一个温度控制孔形成为相对于与所述燃烧器中的热气体路径垂直的线成大约10度至大约80度的角度，所述至少一个温度控制孔为所述壁提供扩散温度控制。
16.一种用于对燃烧器的一部分进行温度控制和阻尼的方法，所述方法包括以下步骤：
使处理流体流过外部构件中的至少一个阻尼孔，所述外部构件联接至所述燃烧器的壁，其中所述外部构件形成接收处理流体的谐振腔；以及
使处理流体从所述谐振腔流过形成在所述壁中的至少一个温度控制孔，其中所述至少一个温度控制孔形成为相对于与所述燃烧器中的热气体路径垂直的线成一定角度。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，使处理流体流过至少一个阻尼孔包括使处理流体流过所述外部构件中的多个阻尼孔。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，使处理流体流过至少一个温度控制孔包括使处理流体流过多个温度控制孔，其中所述多个温度控制孔形成为相对于与热气体路径垂直的线成一定角度。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，使处理流体流过所述多个阻尼孔包括使处理流体流过所述多个阻尼孔并且接近形成在所述壁的内侧上的多个构件，所述多个构件构造成沿所述壁的内侧引导所述处理流体。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，使处理流体流过至少一个温度控制孔包括使处理流体流过至少一个温度控制孔，所述至少一个温度控制孔接近形成在所述壁的内侧上的至少一个构件，所述至少一个构件构造成沿所述壁的内侧引导所述处理流体。
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