CN104566477A - 用于燃气轮机火焰筒的调频装置及燃气轮机火焰筒 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃气轮机技术领域，公开了一种用于燃气轮机火焰筒的调频装置，其包括装置本体，所述装置本体设有腔室，所述腔室的底部设有气体流通的开口，所述腔室内设有弹性元件和位于所述弹性元件下方的隔板，所述弹性元件的一端与所述腔室的顶壁连接，其另一端与所述隔板连接，所述隔板的侧边与所述腔室的侧壁之间留有间隙；本发明还提供一种燃气轮机火焰筒，其包括火焰筒壁，所述火焰筒壁上设有多个如上述技术方案的用于燃气轮机火焰筒的调频装置，所述调频装置的腔室与所述火焰筒壁相连通，以方便燃烧气体流的流通。本发明能够实现对调频装置内的谐振频率进行无级调节以自动阻尼或抑制火焰筒内某一特定频段内的热声振荡。

Description

用于燃气轮机火焰筒的调频装置及燃气轮机火焰筒

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，特别是涉及一种用于燃气轮机火焰筒的调频装置及燃气轮机火焰筒。

背景技术

燃气轮机正朝着大功率、高效率、低排放、燃料多样化及长寿命方向发展。其发展趋势集中体现在：提高压气机压比和透平入口初温以提高燃气轮机整机性能；拓宽燃烧室的燃料适应性以实现多种能源高效、低碳利用；采用先进的燃烧技术使污染物排放降低以满足环保要求；采用先进设计技术使部件及整机效率不断提高；研制新型高温材料和采用先进冷却技术以提高热端部件的性能和可靠性。

燃气轮机主要由压气机、燃烧室和透平三大核心部件组成。燃烧室主要起到提供动力和控制污染物排放的功能。其中，污染排放指标，特别是NO_x(氮氧化物)的排放指标成为考核燃烧室综合性能的关键指标之一。NO_x的生成主要与最高火焰温度和火焰在燃烧室的停留时间有关。为了保证燃料空气混合物在燃烧室内燃烧充分，必须保证有足够的停留时间，因此降低NO_x的主要方法就是控制燃烧的最高火焰温度。目前几大燃机厂商大都采用贫预混燃烧技术来降低燃烧的最高火焰温度，进而降低NO_x的排放。热声振荡是贫预混燃烧面临的一个巨大挑战和急需解决的问题，因为如果压力脉动幅值超过一定的阈值后会对燃烧室部件或其他部件以及燃机本身造成严重的损坏。

现有技术中，对热声振荡的避免或抑制手段主要有：1)改进燃烧室部件的设计；2)在燃烧室部件上布置谐振器；3)燃机投入运行后的燃烧动态调整等。其中，在燃烧室上布置谐振器主要用于抑制或避免燃烧室内的高频和中频振动，现有公开专利中已有该方面的一些技术。在专利号为CN101922711A的专利中，通用电气公司公开了一种用于减轻燃气轮机中动态变化的共振器组件，该共振器组件分别连接到燃烧器上，通过选择性布置和调整多个共振器，以抑制从多个连续布置的燃烧器中排出流体的一个或多个不同向和同向的动态相互作用。在专利号为CN102003286A的专利中，通用电气化公司提出了一种声学上加强的燃气涡轮燃烧器供应策略，在该方法中，通过在燃气轮机燃烧器的上游的流体喷射系统上布置可变几何形状的谐振器和相应的控制器来衰减或阻尼燃烧器中的压力振荡。该方法虽然可有效衰减流体路径和燃烧器中的压力振荡，但需要额外增加控制器来实现谐振器的变几何调节。在专利号CN1551965的专利中，阿尔斯通公司发明了一种减小燃气轮机装置中燃烧脉动的减振装置，该减振装置具有成双壁形式的燃烧室壁并且以一外壁面部分和一内壁面部分气密封闭出一中间室，通过这种结构改进来阻尼在燃烧室内形成的某些频率的脉动。在专利号为CN1615416的专利中，阿尔斯通公司发明了一种新型的燃气轮机燃烧室结构，为了衰减该燃烧室内的热声振动，安置了至少一个亥姆霍兹减振器，该亥姆霍兹减振器的减振容积通过通道与燃烧室连接，同时该亥姆霍兹减振器的减振频率可调节，但该减振装置同样需要额外增加亥姆霍兹减振器的调频机构从而使燃烧室的结构变得复杂。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何实现对调频装置内的谐振频率进行无级调节以自动阻尼或抑制火焰筒内某一特定频段内的热声振荡。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于燃气轮机火焰筒的调频装置，其包括装置本体，所述装置本体设有腔室，所述腔室的底部设有气体流通的开口，所述腔室内设有弹性元件和位于所述弹性元件下方的隔板，所述弹性元件的一端与所述腔室的顶壁连接，其另一端与所述隔板连接，所述隔板的侧边与所述腔室的侧壁之间留有间隙。

其中，所述装置本体可以为亥姆霍兹谐振器。

其中，所述装置本体可以为四分之一波长管谐振器。

其中，所述弹性元件可以为各类弹簧。

本发明还提供一种燃气轮机火焰筒，其包括火焰筒壁，所述火焰筒壁上设有多个如上述技术方案的用于燃气轮机火焰筒的调频装置，所述调频装置的腔室与所述火焰筒壁相连通，以方便燃烧气体流的流通。

优选地，布置于火焰筒壁上的调频装置个数不少于三个。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的一种用于燃气轮机火焰筒的调频装置及燃气轮机火焰筒，所述用于燃气轮机火焰筒的调频装置，采用在装置本体上设有腔室，所述腔室的底部设有气体流通的开口，所述腔室内设有弹性元件和位于所述弹性元件下方的隔板，所述弹性元件的一端与所述腔室的顶壁连接，其另一端与所述隔板连接，所述隔板的侧边与所述腔室的侧壁之间留有间隙；在压力流体的带动下，所述隔板能够沿腔室的侧壁上下移动，从而改变调频装置的谐振频率，进而能够进行无级调节以自动阻尼或抑制燃烧室内某一特定频段内的热声振荡。

附图说明

图1为本发明一种燃气轮机火焰筒的结构示意图；

图2为本发明一种用于燃气轮机火焰筒的调频装置一种实施例的结构剖视图；

图3为本发明一种用于燃气轮机火焰筒的调频装置另一种实施例的结构剖视图。

图中：10：调频装置；11：弹性元件；12：隔板；13：顶壁；14：侧壁；101：亥姆霍兹谐振器；102：四分之一波长管谐振器；111：主体腔室；112：喉部；20：火焰筒壁；30：燃烧气体流。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上。

实施例一

如图2和图3所示，为本发明提供的一种用于燃气轮机火焰筒的调频装置10，其包括装置本体，所述装置本体设有腔室，所述腔室的底部设有气体流通的开口，燃烧气体流30从所述开口进入腔室内，所述腔室内设有弹性元件11和位于所述弹性元件11下方的隔板12，所述弹性元件11可以为各类弹簧，所述弹性元件11的一端与所述腔室的顶壁13连接，其另一端与所述隔板12连接，所述隔板12的侧边与所述腔室的侧壁14之间留有间隙。所述调频装置10是使加压流体在特定频率下振荡的声学腔室，所述调频装置10的几何构造直接关系到振荡的频率，如果腔室内的流体压力由于外力的影响而波动，则调节到这些波动频率的调频装置10可衰减波动频率的幅值。在压力流体的带动下，所述隔板12能够沿腔室的侧壁14上下移动，从而改变腔室的几何构造，腔室内的流体压力随之改变，即改变调频装置10的谐振频率，进而能够进行无级调节以自动阻尼或抑制燃烧室内某一特定频段内的热声振荡。

如图2所示，所述装置本体可以为亥姆霍兹谐振器；所述亥姆霍兹谐振器包括主体腔室111和相比于主体腔室111具有更小直径的喉部112，所述喉部112设于所述主体腔室111的下方，所述弹性元件11和隔板12设于所述主体腔室111内；进入喉部112的加压流体集中在主体腔室111中，隔板12在弹性元件11的带动下，向上移动，直到主体腔室111内的压力大于外部流体压力为止。当主体腔室111内的压力大于外部流体压力时，主体腔室111内的流体离开喉部112，从而降低主体腔室111内的压力，更低的流体压力促使流体进入主体腔室111，该过程重复建立亥姆霍兹谐振器101的谐振频率。

所述亥姆霍兹谐振器101的谐振频率f主要与声音通过流体的速度c，亥姆霍兹谐振器101的喉部112的直径d，喉部112的长度l，主体腔室111的高度h和主体腔室111的直径D有关，具体的关系式如下：

$f=\frac{c}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{d^2}{\mathrm{lh}{D}^2}}$

由此可见，亥姆霍兹谐振器101的谐振频率f主要取决于主体腔室111与喉部112的设计长度h和l。

如图1所示，本发明还提供了一种燃气轮机火焰筒，其包括火焰筒壁20，所述火焰筒壁20上设有多个如上述技术方案的用于燃气轮机火焰筒的调频装置10，所述火焰筒壁20用于限定燃烧气体流30在其内的流动，所述调频装置10的腔室与所述火焰筒壁20相连通，以方便燃烧气体流30流入所述调频装置10。

为了达到更好的调频效果，优选地，布置于火焰筒壁20上的调频装置10个数不少于三个。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于，所述装置本体采用四分之一波长管谐振器102，如图3所示，所述四分之一波长管谐振器102具有主体腔室111。四分之一波长管谐振器102的谐振频率f与其几何参数之间关系式如下：

$f=\frac{c}{4L}$

其中，c是声音在流体(例如，空气、燃料或稀释剂)中的速度，L是四分之一波长管谐振器102的长度。由此可见，四分之一波长管谐振器102可衰减对应于为其长度L四倍的波长的频率。

由以上实施例可以看出，本发明可实现对调频装置10的谐振频率进行无级调节以自动阻尼或抑制燃烧室内某一特定频段内的热声振荡，而且不增加装置本身的结构复杂程度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于燃气轮机火焰筒的调频装置，其特征在于，包括装置本体，所述装置本体设有腔室，所述腔室的底部设有气体流通的开口，所述腔室内设有弹性元件和位于所述弹性元件下方的隔板，所述弹性元件的一端与所述腔室的顶壁连接，其另一端与所述隔板连接，所述隔板的侧边与所述腔室的侧壁之间留有间隙。

2.如权利要求1所述的用于燃气轮机火焰筒的调频装置，其特征在于，所述装置本体为亥姆霍兹谐振器。

3.如权利要求1所述的用于燃气轮机火焰筒的调频装置，其特征在于，所述装置本体为四分之一波长管谐振器。

4.如权利要求1所述的用于燃气轮机火焰筒的调频装置，其特征在于，所述弹性元件为弹簧。

5.一种燃气轮机火焰筒，包括火焰筒壁，其特征在于，所述火焰筒壁上设有多个如权利要求1-4任一项所述的用于燃气轮机火焰筒的调频装置，所述调频装置的腔室与所述火焰筒壁相连通。

6.如权利要求5所述的燃气轮机火焰筒，其特征在于，布置于火焰筒壁上的调频装置个数不少于三个。