CN103383113A - 定位于燃气涡轮燃烧器的导流套筒的声共振器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及定位于燃气涡轮燃烧器的导流套筒的声共振器。一种系统，包括压缩机和燃烧器组件，该压缩机压缩进入的空气流，该燃烧器组件将已压缩的进入的空气流与燃料混合并在燃烧区域燃烧空气燃料混合物。燃烧器组件包括位于燃烧区域的下游的热侧和位于燃烧区域的上游的冷侧。系统还包括涡轮，其接收来自燃烧器的燃烧产物。燃烧器组件包括共振器，其在燃烧器组件的导流套筒和外壳之间的环形通道中定位于燃烧器组件的冷侧。

Description

定位于燃气涡轮燃烧器的导流套筒的声共振器

技术领域

本发明涉及一种用于燃气涡轮的燃烧器组件，且更具体地涉及一种包括声共振器的DLN燃烧器组件。

背景技术

燃气涡轮系统通常包括至少一个燃气涡轮发动机，其具有压缩机、燃烧器组件以及涡轮。燃烧器组件可使用干式低氮氧化物(DLN)燃烧。在DLN燃烧中，燃料和空气在点燃之前进行预混合，其降低了排放。然而，贫燃料预混燃烧过程容易受到流扰动和声压波的影响。更具体而言，流扰动和声压波可导致各种频率下的自持的压力波动。这些压力波动可被称为燃烧动态(combustion dynamics)。燃烧动态可能造成结构振动、磨损以及其他性能退化。

期望将DLN燃烧器中的燃烧动态抑制成低于规定水平以维持低的排放。对于通常低于500Hz的轴向模式频率，通过使用设于最佳位置的声共振器，从而能够有效地控制燃烧动态。

发明内容

在一个示范性实施例中，燃气涡轮燃烧器组件包括外壳和多个燃料喷嘴，该外壳限定了燃烧器组件的外边界，该多个燃料喷嘴设于外壳，并与燃料供应部相联接。衬套接收来自燃料喷嘴的燃料和空气，并限定了燃烧区域，且导流套筒设于衬套和外壳之间。导流套筒用于将压缩机排出空气分配至燃烧器组件的头端并冷却衬套。过渡件与衬套相联接，并将燃烧产物传送至涡轮。共振器设置成邻接位于过渡件的上游的导流套筒。共振器用于减弱燃烧动态。

在另一示范性实施例中，系统包括压缩机、燃烧器组件以及涡轮，该压缩机将进入的空气流压缩，该燃烧器组件将已压缩的进入的空气流与燃料混合并在燃烧区域燃烧空气燃料混合物，该涡轮接收来自燃烧器的燃烧产物。燃烧器组件包括所记载的外壳、燃料喷嘴、衬套、导流套筒、过渡件以及共振器。

在再一示范性实施例中，系统包括压缩机和燃烧器组件，该压缩机压缩进入的空气流，燃烧器组件将已压缩的进入的空气流与燃料混合，并在燃烧区域燃烧空气燃料混合物。燃烧器组件包括位于燃烧区域的下游的热侧和位于燃烧区域的上游的冷侧。系统还包括涡轮，其接收来自燃烧器的燃烧产物。燃烧器组件包括共振器，其在燃烧器组件的导流套筒和外壳之间的环形通道中定位于燃烧器组件的冷侧。

一种燃气涡轮燃烧器组件，包括：

外壳，其限定了燃烧器组件的外边界；

多个燃料喷嘴，其设于外壳，并与燃料供应部相联接；

衬套，其接收来自燃料喷嘴的燃料和空气，衬套限定了燃烧区域；

导流套筒，其设于衬套和外壳之间，导流套筒将压缩机排出空气分配至燃烧器组件的头端并冷却衬套；

过渡件，其与衬套相联接，并将燃烧产物传送至涡轮；以及

共振器，其设置成邻接位于过渡件的上游的导流套筒，共振器减弱了燃烧动态。

优选地，包括位于导流套筒和外壳之间的环形通道，其中，共振器设于环形通道。

优选地，共振器附连至导流套筒。

优选地，共振器附连至导流套筒。

优选地，共振器邻接导流套筒的入口而附连至导流套筒。

优选地，共振器定位成邻接导流套筒的入口。

优选地，共振器为亥姆霍兹共振器。

优选地，共振器包括与衬套和导流套筒之间的空气流处于流体连通的多个管，多个管延伸至导流套筒和外壳之间的环形通道中。

优选地，共振器针对目标频率范围而被调谐。

一种系统，包括：

压缩机，其将进入的空气流压缩；

燃烧器组件，其将已压缩的进入的空气流与燃料混合，并在燃烧区域燃烧空气燃料混合物；以及

涡轮，其接收来自燃烧器的燃烧产物，

其中，燃烧器组件包括：

外壳，其限定了燃烧器组件的外边界；

多个燃料喷嘴，其设于外壳，并与燃料供应部相联接；

衬套，其接收来自燃料喷嘴的燃料和空气，衬套限定了燃烧区域；

导流套筒，其设于衬套和外壳之间，导流套筒将来自压缩机的排出空气分配至燃烧器组件的头端并冷却衬套；

过渡件，其与衬套相联接，并将燃烧产物传送至涡轮；以及

共振器，其设置成邻接位于过渡件的上游的导流套筒，共振器减弱了燃烧动态。

优选地，燃烧器组件还包括位于导流套筒和外壳之间的环形通道，其中，共振器设于环形通道。

优选地，共振器附连至导流套筒。

优选地，共振器邻接导流套筒的入口而附连至导流套筒。

优选地，共振器为亥姆霍兹共振器。

优选地，共振器包括与衬套和导流套筒之间的空气流处于流体连通的多个管，多个管延伸至导流套筒和外壳之间的环形通道中。

优选地，共振器针对目标频率范围而被调谐。

一种系统，包括：

压缩机，其压缩进入的空气流；

燃烧器组件，其将已压缩的进入的空气流与燃料混合，并在燃烧区域燃烧空气燃料混合物，燃烧器组件包括位于燃烧区域的下游的热侧和位于燃烧区域的上游的冷侧；以及

涡轮，其接收来自燃烧器的燃烧产物，

其中，燃烧器组件包括共振器，其在燃烧器组件的导流套筒和外壳之间的环形通道中定位于燃烧器组件的冷侧。

附图说明

图1是示范性燃气涡轮系统的框图；

图2是燃烧器组件的示意图；

图3是图2所示的燃烧器的横截面端视图；

图4是显示了共振器的构件的示意图；以及

图5是带有备选实施例中的共振器的示意图。

部件列表

10：燃气涡轮系统

12：压缩机

14：燃烧器组件

16：涡轮

18：燃料喷嘴

20：主要燃料喷嘴

22：次级燃料喷嘴

24：燃烧气体

26：轴

28：排气出口

30：负载

32：空气入口

34：加压空气

40：共振器

42：轴向方向或轴线

44：径向方向或轴线

46：周向方向或轴线

48：压缩机排气口

52：箭头

54：头端

56：环状空间

58：衬套

59：外壳

60：导流套筒

61：板

62：板

64：燃料供应部

66：燃料

68：燃烧区域

70：方向

72：过渡件

74：箭头

76：管

78：容积。

具体实施方式

如上所述，燃气涡轮系统包括一种可使用DLN或其他的燃烧过程的燃烧器组件，该燃烧过程容易受到流扰动和/或声压波的影响。具体而言，燃烧器组件的燃烧动态可导致自持的压力波动，其可能造成燃烧器组件中的结构振动、磨损、机械疲劳、热疲劳以及其他性能退化。一种减轻燃烧动态的技术是使用共振器，例如亥姆霍兹共振器。具体而言，亥姆霍兹共振器为阻尼机构，其包括连接至大容积的若干狭窄的管、管颈或其他通道。共振器运行以减弱并吸收由燃烧器组件产生的燃烧声音。管颈或通道的深度和由共振器封闭的大容积的尺寸可与使共振器有效的声波的频率相关。

图1是燃气涡轮系统10的一个实施例的框图。燃气涡轮系统10包括压缩机12、燃烧器组件14以及涡轮16。在以下论述中，可参照燃烧器14的轴向方向或轴线42、径向方向或轴线44以及周向方向或轴线46。燃烧器组件14包括燃料喷嘴18，其将液体燃料和/或气体燃料例如天然气或合成气运送至燃烧器组件14中。如图所示，各个燃烧器组件14可具有多个燃料喷嘴18。更具体而言，燃烧器组件14均可包括具有主要燃料喷嘴20的主要燃料喷射系统和具有次级燃料喷嘴22的次级燃料喷射系统。燃料喷嘴能够具有多个回路，例如，总共六个燃料喷嘴，其中，六个燃料喷嘴中的一个独立地供应燃料，两个燃料喷嘴的组可具有独立的燃料回路，并且三个燃料喷嘴的组可具有另一独立的回路。不管燃料喷嘴的布置和分组如何，燃烧器组件都包括多个独立的燃料回路。

图1所示的燃烧器组件14点燃并燃烧空气燃料混合物，并随后将热的加压燃烧气体24(例如排气)传递至涡轮16中。涡轮叶片联接至公共轴26，该公共轴26还联接至遍及涡轮系统10的若干其他构件。当燃烧气体24流经涡轮16中的涡轮叶片时，驱动涡轮16旋转，其造成轴26旋转。最后，燃烧气体24经由排气出口28而离开涡轮系统10。此外，轴26可联接至负载30，其经由轴26的旋转而被驱动。例如，负载30可以是任何可经由涡轮系统10的旋转输出而产生动力的合适装置，例如发电设备或任何外部机械负载。例如负载30可包括发电机、飞机的螺旋桨等。

在涡轮系统10的一个实施例中，作为压缩机12的构件包括压缩机叶片。压缩机12内的叶片也联接至轴26，并将会在由涡轮16驱动轴26旋转时旋转，如上所述。压缩机12内的叶片的旋转将来自空气入口32的空气压缩成加压空气34。加压空气34随后被供给至燃烧器组件14的燃料喷嘴18中。燃料喷嘴18将加压空气34和燃料混合，以产生用于燃烧(例如造成燃料更完全地烧掉的燃烧)的合适的混合比率，从而不会浪费燃料或造成过量的排放。

图2是图1的其中一个燃烧器组件14的示意图，其显示了与燃烧器组件14协同设置的共振器40的一个实施例。如上所述，压缩机12接收来自空气入口32的空气，将空气压缩，并产生加压空气34的流，以用于燃烧器14内的燃烧过程。如所说明的实施例所示，由操作地联接至燃烧器组件14的压缩机排气口48接收加压空气34。如箭头52所示，加压空气34从压缩机排气口48流向燃烧器14的头端54。更具体而言，加压空气34流经燃烧器组件14的衬套58和导流套筒60之间的环状空间56以到达头端54。外壳59用作燃烧器组件的外边界或壳体。

在某些实施例中，头端54包括板61和62，该板61和62如图1所示可支撑燃料喷嘴20。在图2所示的实施例中，燃料供应部64将燃料66提供至燃料喷嘴20。另外，燃料喷嘴20接收来自燃烧器组件14的环状空间56的加压空气34。燃料喷嘴20将加压空气34与由燃料供应部64提供的燃料66结合，以形成空气燃料混合物。空气燃料混合物被点燃并在燃烧器组件14的燃烧区域68燃烧，以形成燃烧气体(例如排气)。燃烧气体沿方向70流向燃烧器组件14的过渡件72。如箭头74所示，燃烧气体流经过渡件72而流向涡轮16，在该涡轮16，燃烧气体驱动涡轮16内的叶片的旋转。

燃烧器组件14还包括设于导流套筒60和外壳59之间的共振器40，其邻接导流套筒60的入口。如上所述，燃烧过程产生被称为燃烧动态的各种压力波、声波以及其他波动。燃烧动态可造成燃烧器组件14的性能退化、结构应力和机械疲劳或热疲劳。因此，燃烧器组件14可包括共振器40，例如，亥姆霍兹共振器，以有助于减轻燃烧器组件14中的燃烧动态的影响。

如图2所示，共振器40安装于导流套筒，该导流套筒位于燃烧器组件的冷侧。图3是沿着图2中的线3-3的横截面图。如图所示，共振器40优选定位于导流套筒60和外壳59之间的环形通道。共振器40优选附连至导流套筒60。如图4所示，共振器40包括容积78，其包括与衬套58和导流套筒60之间的空气流处于流体连通的多个管76。管76延伸至导流套筒60和外壳59之间的容积78内的环形通道中。图5显示了带有紧接地定位于轴向喷射导流套筒的下游的共振器40的备选布置。通过以该方式定位共振器40，从而能够有效地减轻高振幅声压。

在图4中，P'_in代表从燃烧器头端行进的声压波，并且P'_out代表从过渡件行进的声压波。

位于导流套筒60的共振器40能够针对目标频率范围而被调谐。另外，因为共振器40可固定至导流套筒60，所以该共振器40容易更换。

所述实施例的共振器用于抑制/减弱燃烧产生的声音。结果，可延长DLN燃烧器的可操作性和耐久性。

虽然已结合目前被认为最实用且优选的实施例而描述了本发明，但是应当理解本发明并不限于所公开的实施例，相反，旨在覆盖包括于所附权利要求的要旨和范围内的各种修改和等效装置。

Claims (10)

1.一种燃气涡轮燃烧器组件，包括：

外壳，其限定了所述燃烧器组件的外边界；

多个燃料喷嘴，其设于所述外壳，并与燃料供应部相联接；

衬套，其接收来自所述燃料喷嘴的燃料和空气，所述衬套限定了燃烧区域；

导流套筒，其设于所述衬套和所述外壳之间，所述导流套筒将压缩机排出空气分配至所述燃烧器组件的头端并冷却所述衬套；

过渡件，其与所述衬套相联接，并将燃烧产物传送至涡轮；以及

共振器，其设置成邻接位于所述过渡件的上游的所述导流套筒，所述共振器减弱了燃烧动态。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮燃烧器组件，包括位于所述导流套筒和所述外壳之间的环形通道，其特征在于，所述共振器设于所述环形通道。

3.根据权利要求2所述的燃气涡轮燃烧器组件，其特征在于，所述共振器附连至所述导流套筒。

4.根据权利要求1所述的燃气涡轮燃烧器组件，其特征在于，所述共振器附连至所述导流套筒。

5.根据权利要求4所述的燃气涡轮燃烧器组件，其特征在于，所述共振器邻接所述导流套筒的入口而附连至所述导流套筒。

6.根据权利要求1所述的燃气涡轮燃烧器组件，其特征在于，所述共振器定位成邻接所述导流套筒的入口。

7.根据权利要求1所述的燃气涡轮燃烧器组件，其特征在于，所述共振器为亥姆霍兹共振器。

8.根据权利要求7所述的燃气涡轮燃烧器组件，其特征在于，所述共振器包括与所述衬套和所述导流套筒之间的空气流处于流体连通的多个管，所述多个管延伸至所述导流套筒和所述外壳之间的环形通道中。

9.根据权利要求1所述的燃气涡轮燃烧器组件，其特征在于，所述共振器针对目标频率范围而被调谐。

10.一种系统，包括：

压缩机，其将进入的空气流压缩；

燃烧器组件，其将所述已压缩的进入的空气流与燃料混合，并在燃烧区域燃烧所述空气燃料混合物；以及

涡轮，其接收来自所述燃烧器的燃烧产物，

其特征在于，所述燃烧器组件包括：

外壳，其限定了所述燃烧器组件的外边界；

多个燃料喷嘴，其设于所述外壳，并与燃料供应部相联接；

衬套，其接收来自所述燃料喷嘴的燃料和空气，所述衬套限定了所述燃烧区域；

导流套筒，其设于所述衬套和所述外壳之间，所述导流套筒将来自所述压缩机的排出空气分配至所述燃烧器组件的头端并冷却所述衬套；

过渡件，其与所述衬套相联接，并将所述燃烧产物传送至所述涡轮；以及

共振器，其设置成邻接位于所述过渡件的上游的所述导流套筒，所述共振器减弱了燃烧动态。

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