CN104566457B - 用于燃气涡轮的阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于减少燃气涡轮的腔室中的脉动的阻尼器，其中阻尼器包括谐振腔以及与谐振腔和腔室流动连通的颈部，其中颈部包括口部以与腔室连通，其中腔室内的空气流流动跨过颈部的口部，其中颈部如此构造使得其口部的纵轴相对于腔室内的空气流的方向成0°到90°的角度。本发明的阻尼器可有效地减轻切向流的有害影响并因此使阻尼器还能够处于强切向流存在的位置。

Description

用于燃气涡轮的阻尼器
技术领域
本发明涉及燃气涡轮，特别地涉及用于减少燃气涡轮的腔室内的燃烧动态的阻尼器。
本文中燃烧动态包括但不限于脉动、声振荡、压力和速度波动以及噪声。本文中燃气涡轮的腔室不仅仅包括燃烧室，也包括燃烧动态存在的空气通道、气室(plenum)或类似物。
背景技术
在常规的燃气涡轮中，声振荡经常出现在燃气涡轮的腔室中。术语腔室意味着燃烧动态存在的任何气体容积。在这些腔室中，带有高速度的燃气(例如燃料和空气或废气的混合物)流引起噪声。在燃烧室中燃烧空气和燃料引起进一步的噪声。该声振荡可能发展称为高度显著的谐振。这种还被称为燃烧室脉动的振荡能假定为振幅和相关联的压力波动，其使燃烧室本身遭受可能决定性地减少燃烧室寿命以及在最坏情况下甚至可能导致燃烧室的破坏的严重机械负荷。
为了减少声振荡噪声，本领域中众所周知的是安装像亥姆霍兹谐振器、半波长管、四分之一波长管或其他类型阻尼装置的声阻尼装置。
作为例子，图1示意地显示常规的亥姆霍兹谐振器的布置。如图所示，亥姆霍兹谐振器10包括经由颈部12与腔室14连接的谐振腔11。颈部12包括在其出口端的口部13。具有腔室内表面15的腔室14仅仅部分地在图1中显示。
本文给出亥姆霍兹谐振器的原理。谐振腔11充当在腔中用于空气膨胀和收缩的弹簧。颈部12中的空气表现为与弹簧连接的质量体。该系统具有一个或更多共振频率。当声波处于接近阻尼器的其中一个共振频率的频率并撞击颈部的口部时，阻尼器减少或阻尼这样的脉动。空气质量体由于腔室的弹簧作用而振荡。通过颈部的空气的振荡触发在颈部流出的涡流。这样，声能转化成最终耗散为热量的空气动能。经常借助于穿过阻尼器颈部的气体流来引进加强的耗散。这称为通流或偏流。
然而，在腔室内跨颈部12的口部13流动的气体流(在以下描述中称为切向流)将会影响阻尼性能。特别地，本发明的发明者已经发现，与通过阻尼器颈部的空气流(在以下描述中称为偏流)相比，切向流的高速度对阻尼器性能具有有害的影响。为了避免阻尼器降低的性能，目前的解决方式是将阻尼器布置与偏流速度相比切向流的速度不那么高的腔室的区域。然而，在一些情形下，优选的阻尼器位置在遭受高切向流速度的区域中。
发明内容
因此，本发明的目标是提供一种用于燃气涡轮的阻尼器，其可有效地减轻切向流的有害影响，并且因此其使阻尼器还能够处于强切向流存在的位置。
该目标通过一种用于减少燃气涡轮的腔室中的脉动的阻尼器来达到，其中阻尼器包括谐振腔以及与谐振腔和腔室流动连通的颈部，其中颈部包括口部以与腔室连通，其中腔室内的空气流流动跨过颈部的口部。颈部如此构造使得其口部的纵轴相对于腔室内的空气流的方向成0°到90°的角度。这种颈部的几何形状将引起在口部处减少或消除切向流对阻尼性能的有害影响的流分配。
根据一个可能的实施例，颈部伸入腔室中并沿着腔室内的空气流的方向弯曲，其中该颈部的口部的纵轴相对于腔室内的空气流的方向形成为0°到90°。
根据另一个可能的实施例，颈部伸入腔室中并弯曲为使其口部的纵轴与腔室内的空气流的方向对齐。即，颈部沿着空气流的方向弯曲，使得该口部的纵轴相对于所述气流的方向被构造为0°。
根据另一个可能的实施例，颈部伸入腔室中并弯曲为使其口部的纵轴相对于腔室内的空气流的方向成90°。
根据另一个可能的实施例，颈部形成为倾斜通道，其纵轴相对于腔室内的空气流的方向成锐角。该倾斜颈部将修改离开口部的偏流与切向流的流体动态相互作用。这修改了切向流限制离开阻尼器颈部的偏流通过的趋势。这具有修改切向流对阻尼器的声性能的影响的作用。
根据另一个可能的实施例，颈部的口部在一侧由罩覆盖，该罩使通过颈部的流沿与腔室内的流的方向平行的方向偏转。
本发明的阻尼器可包括带有一个或更多阻尼容积的亥姆霍兹谐振器、半波长管、四分之一波长管、多容积阻尼器、衬套或任意种类的声流通阻尼器(acoustic flowthrough damper)。
利用根据本发明的阻尼器，阻尼性能不受燃烧室内的强切向流影响。
附图说明
本发明的目标、优势以及其他特点将通过阅读参考附图仅为了例示目的而给出的其优选实施例的以下非限制性描述而变得更加显而易见，在附图中类似的参考数字可用于指示类似的元件，并且其中：
图1显示现有技术中的阻尼器和燃烧室的示意图；
图2显示本发明的第一实施例的示意图；
图3显示本发明的第一实施例的示意俯视图；
图4显示本发明的第二实施例的示意图；
图5显示本发明的第二实施例的示意俯视图；
图6显示本发明的第三实施例的示意图；
图7显示本发明的第四实施例的示意图。
具体实施方式
图1显示以上已经描述的燃气涡轮中使用的常规阻尼器10的布置。切向流30，即在腔室14内部的气体流，流动跨过颈部12的口部13。同时，偏流20，即穿过颈部12的气体流，垂直于切向流30而进入腔室14中。如上所述，本发明者经过测试已经发现，增加切向流相对于偏流的比率趋向于限制离开阻尼器颈部的偏流的通过。因此阻尼器的阻尼性能将会显著地降低。
图2显示本发明的第一实施例。如图2示意地显示，阻尼器10布置成用于减少燃气涡轮的腔室14内的脉动。阻尼器10包括谐振腔11和颈部12。颈部12与谐振腔11和腔室14的内部流动连通。颈部12包括口部13以与腔室14连通。腔室14内的气体流，即切向流30，流动跨过颈部12的口部13，并且气体流，即偏流20，可穿过颈部12。颈部12伸入腔室14中。同时，其沿着切向流30的流动方向弯曲。在本发明的第一实施例中，颈部12如此弯曲使得其口部13的纵轴与切向流30的方向对齐。即，颈部12沿着切向流30的流动方向弯曲，使得口部13的纵轴相对于切向流30的方向被构造为0°。虽然在该第一实施例中，口部13的纵轴相对于切向流30的方向被构造为0°，但本领域技术人员容易了解，相对于切向流30的方向成小角度的可选方案等同于第一实施例。
图3显示图2中的阻尼器10的俯视图。图3中颈部12上方和下方的曲线示意地显示切向流30的空气流区域。由于颈部12伸入腔室14的切向流区域并沿着切向流30的方向弯曲，在切向流有足够高的速度的情况下，颈部12导致切向流30的分离和低切向流速度区域的随后形成，如由图3中曲线所显示。因此，切向流30对流出颈部12的偏流20的有害干涉进一步减轻，并且阻尼性能提高。
根据第一实施例，切向流对偏流的有害影响可以通过偏流与穿过阻尼器10中颈部12的口部13的构型的切向流的对齐而首先减少。进一步，由于颈部12会使切向流偏转并在口部13周围形成低切向流速度区域，这对于减少切向流对声性能的有害影响给予额外帮助。
图4显示本发明的第二实施例。第二实施例中的阻尼器10的基本结构与第一实施例中的结构相似。颈部12也伸入腔室14中。与第一实施例的区别在于颈部弯曲使其口部的纵轴相对于切向流30的方向成90°。更特别地，如图4所示，颈部12顺时针方向弯曲并相对于切向流方向形成为90°。虽然在该第二实施例中，口部13的纵轴相对于切向流30的方向被构造为90°，但本领域技术人员容易了解，采用相对于切向流30的方向稍稍超过或少于90°角度的可选方案等同于第二实施例，并且因此也由本发明涵盖。
图5显示图4中的阻尼器10的俯视图。与第一实施例类似，颈部12伸入腔室14的切向流区域中，并且弯曲成使得在切向流有足够高的速度的情况下，颈部12导致切向流30的分离和低切向流速度区域的随后形成，如由图5中曲线所显示。这有助于减少切向流对声性能的有害影响。
以上的第一和第二实施例各自限制阻尼器10具有颈部12，该颈部12伸入腔室14并弯曲使其口部13的纵轴相对于切向流30的方向成0°和90°。本领域技术人员容易了解，伸入燃烧室并沿着切向流方向弯曲使口部13的纵轴相对于切向流的方向成0°到90°之间的颈部也能达到本发明的目标并因此由本发明涵盖。
图6显示本发明的第三实施例。在该实施例中，颈部12未伸入腔室14中，而是形成为连通谐振腔11和腔室14内部的倾斜通道。颈部12如此形成使得其纵轴相对于切向流方向成锐角。该倾斜颈部将修改离开口部13的偏流20与切向流30的流体动态相互作用。这修改了切向流限制离开阻尼器颈部的偏流通过的趋势，并因此减轻了切向流30对阻尼器12的声性能的影响，因此阻尼性能提高。
图7显示本发明的第四实施例。基本构型是类似的，即，颈部12与谐振腔11和腔室14连通。颈部12的口部13将在一侧由罩16覆盖，罩16使偏流20沿与流动跨过颈部12的切向流30平行的方向偏转。在燃烧室14的内表面15和罩16之间的容积充当颈部12的一部分。因此，切向流30对流出颈部12的偏流20的有害干涉减轻，并且阻尼性能提高。
应注意，本发明中的阻尼器包括具有一个或更多阻尼容积的亥姆霍兹谐振器，还包括半波长管、四分之一波长管、多容积阻尼器、衬套或本领域已知的任意种类的声流通阻尼器。本发明提到的腔室可以是燃烧动态存在的燃烧室、混合室、空气通道、气室或类似物。
虽然已经结合仅仅有限数目的实施例详细地描述了本发明，但应当容易理解，本发明不限于这些公开的实施例。而是，本发明可修改为并入任意数目的迄今未描述但与本发明的精神和范围相称的变型、变更、替代或等同的布置。此外，虽然已描述了本发明的各种实施例，但应理解，本发明的方面可仅仅包括其中一些已述的实施例。相应地，本发明不应视作被前文的描述所限制，而是仅仅被所附权利要求的范围限制。
参考标号
10 阻尼器
11 谐振腔
12 颈部
13 口部
14 腔室
15 腔室的内表面
16 罩
20 偏流
30 切向流
40 低切向流速度区域。

Claims (2)

1.一种用于减少燃气涡轮的腔室中的脉动的阻尼器，其中所述阻尼器(10)包括谐振腔(11)和与所述谐振腔(11)和所述腔室(14)流动连通的颈部(12)，其中所述颈部(12)包括口部(13)以与所述腔室(14)连通，其中所述腔室(14)内的空气流流动跨过所述颈部(12)的口部(13)，其特征在于，所述颈部(12)伸入所述腔室(14)中并沿着所述腔室内的空气流的方向弯曲，其中所述颈部(12)弯曲为使其口部(13)的纵轴与所述腔室内的空气流的方向成90°。
2.根据权利要求1所述的阻尼器，其特征在于，包括带有一个或更多阻尼容积的亥姆霍兹谐振器、半波长管、四分之一波长管、多容积阻尼器、衬套或任意种类的声流通阻尼器。
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