CN104676646A

CN104676646A - 用于燃气涡轮的燃烧器的阻尼装置

Info

Publication number: CN104676646A
Application number: CN201410858254.7A
Authority: CN
Inventors: D·汤安; M·R·博蒂恩
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Energy Resources Switzerland AG
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2014-10-24
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2034-10-24
Also published as: CN104676646B; US20150113991A1; EP2865948A1; EP2865948B1

Abstract

本发明涉及用于制止燃烧不稳定的、用于燃气涡轮的燃烧器的阻尼装置。更具体而言，本发明涉及具有用于抑制燃烧室中的压力波动的至少一个谐振器的、用于低排放燃烧器的宽带阻尼装置的设计。本发明的目标是提供带有具有宽带特性的四分之一波长阻尼器的阻尼装置。根据本发明的用于燃气涡轮的燃烧器的阻尼装置包括限定谐振器容积(6)的外壳(3)，用于允许谐振器容积(6)和燃烧室(8)之间的流体连通的、在外壳(3)的正面处的孔(7)，外壳(3)具有参数使得其充当四分之一波长阻尼器(2)，其特征在于谐振器容积(6)由外壳(3)的背面(11)和至少一个侧面(14)限制，从而至少一个侧面(14)在内侧配备有一个或更多个腔(9)，并且背面(11)配备有用于将吹扫流体给送到谐振器容积(6)中的至少一个给送孔(10)。优选凹槽形侧腔使能量耗散的垂直流13开始。

Description

用于燃气涡轮的燃烧器的阻尼装置

技术领域

本发明涉及用于燃气涡轮的燃烧器的阻尼装置。更具体地，本发明涉及具有至少一个用于抑制燃烧室中的压力波动的谐振器的低排放燃烧器的宽带阻尼装置的设计。

背景技术

燃气涡轮已知包括至少一个燃烧器，其中燃料和空气燃烧成生成在涡轮中膨胀而执行功的高压热燃烧气体。大体上，燃烧可在围绕燃气涡轮的纵轴线周向地定位的一定数量的燃烧器中，或在带有其上游端处的一定数量的焚烧器的环形燃烧室中发生。

在燃烧器的操作期间，各种频率下的显著压力振荡可发生。如果这些频率中的一种对应于构件或系统的本征频率，则对燃气涡轮设备的构件的结构损坏可导致限制其操作状况。

为了燃烧动力的衰减，燃气涡轮燃烧器通常设有阻尼装置，特别是亥姆霍兹谐振器，以抑制压力振荡。

亥姆霍兹谐振器广泛地用于本技术领域中。它们的使用在许多现有技术公布中公开。通常多个谐振器在燃烧器的上游端处和/或在下游在其衬套处联接于燃烧器，与燃烧器的内部流动连通。

常规的亥姆霍兹谐振器的缺陷是所需的空间。亥姆霍兹阻尼器要求相对高的容积，但是燃烧器周围的区域中的可用空间通常是有限的。结果是对安装此类阻尼装置的设计约束。另一个重要的设计约束是构件重量，亥姆霍兹谐振器为相对重的。

EP2402658公开了一种用于燃气涡轮的具有贫燃烧和低排放的燃烧器，其要求声阻尼器的小安装空间，该小安装空间可实现尺寸减小。为了实现该目的，根据第一方面，燃烧器包括声阻尼器，其包括与内燃烧室连通的声阻尼器谐振空间。声阻尼器提供成沿着燃烧器壳体在与燃烧器的轴向方向相交的方向上延伸。因为阻尼器沿着壳体提供成在与燃烧器的轴向方向相交的方向上延伸，所以声阻尼装置在周向方向上广泛地设置，而不集中在燃烧器的在其周向方向上的特别区段中。因此，阻尼装置被防止朝向壳体的外周突出，并且在燃烧器外侧所需的空间可减小。

用于抑制由燃烧动力引起的压力振荡的不同途径是应用四分之一波长阻尼器。四分之一波长阻尼器包括限定长度L的谐振器管。四分之一波长阻尼器调节至声振荡的波长的四分之一。四分之一波长阻尼器的谐振频率是

f＝c₀/4L，

其中c₀是谐振器管中的声速，并且L是谐振器管的长度。

因此，四分之一波长阻尼器可吸收对应于管长度L四倍的波长的频率。

图1以概略示意方式显示了连接于燃烧器或至燃烧室的燃料或空气供应管线的四分之一波长阻尼器2的主要特征。阻尼器2包括外壳3，其通常设计为管，固定于燃烧器衬套4或者燃料或空气供应管线，管3具有长度5并且限定谐振器容积6。经由其正面处的开口7，谐振器容积6与其中待抑制的压力振荡可发生的燃烧室8流动连通。主要限定抑制的频率的阻尼器参数是管长度5。因此，这些几何特征必须根据燃烧器的燃烧动力来确定。

根据现有技术的四分之一波长阻尼器的基本特征是它们提供高阻尼性能，但是仅在位于阻尼器的谐振频率周围的窄频率带中。该行为对于燃气涡轮燃烧器中的使用而言是根本缺点。

压力振荡的频率可从燃气涡轮到燃气涡轮稍微变化，并且另外，对于相同燃气涡轮而言，其可根据操作条件(例如部分负载、基本负载、过渡)的变化稍微变化。如果窄带阻尼器被采用，则这些频率偏移中的各个将导致脉动的出现。

发明内容

因此，本发明的技术目的在于通过提供带有具有宽带特性的四分之一波长阻尼器的阻尼装置以及通过提供配备有此类阻尼装置的燃烧器来避免以上提到的缺点。

根据本发明的第一方面，该目的通过根据权利要求1的阻尼装置实现。

根据本发明的第二方面，该目的通过根据权利要求16的燃烧器实现。

这些发明方面的优选实施例为相应从属权利要求的主题。

更具体而言，本发明的基本构思在于提供一种具有修改的新设计的四分之一波长阻尼器，四分之一波长阻尼器包括限定谐振器容积的外壳，特别是管状外壳、用于允许谐振器容积与燃烧室之间的流体连通的在该外壳的正面处的孔、具有至少一个用于将吹扫流体给送到谐振器容积中的给送孔的背面，以及至少一个侧面，由此该侧面在内侧配备有一个或更多个侧腔。

背面处的给送孔和正面处的孔限定了横跨四分之一波长阻尼器内的谐振器容积的流动路径。

根据优选实施例，至少一个侧腔是凹槽形的，并且围绕外壳的侧面周向地延伸。

特别地，阻尼器外壳的侧面配备有在外壳的后端和前端之间沿外壳以一定数量的排布置的两个或更多个周向腔。

该设计优选适用于具有圆形截面的四分之一波长阻尼器。

根据备选实施例(优选地适用于具有多边形尤其是矩形截面的四分之一波长阻尼器)，侧腔的提供限制于一侧。例如矩形阻尼器的第一侧面配备有一定数量的连续布置的侧腔，而第二侧面例如相对表面是平坦的。优选地，侧腔在所述第一侧面的整个宽度上延伸。

在燃烧器的操作期间，吹扫流体优选为吹扫空气的质量流从背面处的给送开口朝向正面经过谐振器容积，并且通过正面的开口离开谐振器容积进入燃烧室。与吹扫流体的质量流正交或至少基本上正交地布置的侧面中的侧腔引起流扰动。涡流在每个腔处开始。形成的剪切层上卷，从而以复杂的相互作用与现有且新的剪切层和涡旋相互作用。这些能量耗散过程吸收声功率。

用于控制某一阻尼器构造的阻尼质量的一个参数是吹扫流体质量流穿过谐振器容积的流速。阻尼器在操作期间的阻尼质量可通过改变流速而变化。

附图说明

从经由非限制性实例在附图中示出的本发明的优选实施例的描述，本发明的另外的特征和优点将更显而易见，在该附图中：

图1是显示阻尼装置的原理特征的概略示意图，该阻尼装置包括联接于燃烧器的四分之一波长阻尼器；

图2以类似视图显示了根据本发明的具有修改的四分之一波长阻尼器的阻尼装置；

图2a显示了图2的细节；

图3a和图3b除图2之外显示了根据本发明的四分之一波长阻尼器的备选设计；

图4a和图4b显示了围绕燃烧器布置四分之一波长阻尼器的两个备选实施例。

部件列表

1 燃烧器

2 四分之一波长阻尼器

3 四分之一波长阻尼器的外壳

4 燃烧器衬套

5 四分之一波长阻尼器的长度

6 谐振器容积

7 用于流体连通的孔

8 燃烧室

9 侧腔

10 后端处的开口

11 四分之一波长阻尼器的后端

12 空气流

13 涡流

14，14′，14″ 四分之一波长阻尼器的侧面

15 四分之一波长阻尼器的纵轴线

W_eff 腔9的有效宽度。

具体实施方式

图1以概略示意方式显示了根据现有技术的、联接于燃烧器1的衬套4或流体喷射系统的供应管线的四分之一波长阻尼器2的主要特征。四分之一波长阻尼器2包括外壳3，其通常设计为管，固定于燃烧器衬套4。具有纵向轴线15、带开口7的正面、后端面11以及侧面14的管状外壳3限定了谐振器容积6。经由其正面处的开口7，谐振器容积6与其中待抑制的压力振荡发生的燃烧室8流动连通。带开口7的正面和后端面11之间的距离限定了四分之一波长阻尼器2的长度5。主要限定抑制的频率的阻尼器参数是其长度5。因此，这些几何特征必须根据燃烧器的燃烧动力来确定。如名字所暗示，四分之一波长阻尼器2调节到燃烧室8中的相关声振荡的波长的四分之一。谐振频率是f＝c₀/4L，其中c₀是谐振器容积6中的声速，并且L是其管状外壳3的长度5。

本身已知的是将具有不同长度5(例如两个不同长度)的一定数量的四分之一波长阻尼器2联接于燃烧器1，以抑制不同频率的振荡，特别是抑制两个主要的频率。

图2以相似视图显示了根据本发明的具有修改的四分之一波长阻尼器2的阻尼装置。燃烧室8由燃烧器1的衬套4包封。修改的四分之一波长阻尼器2以本身已知的方式联接于所述衬套4。四分之一波长阻尼器2包括具有其正面处的开口7、侧面14和后端11的大致圆筒形外壳3。正面处的开口7实现燃烧室8和外壳3内的谐振器容积6之间的流动连通。外壳3的侧面14配备有至少一个腔9。该腔9可围绕内侧面14周向地延伸。如图2所示，一定数量的排的周向延伸的腔9可沿着侧面布置在外壳3的前端和后端之间。

另外，阻尼器2的后端11配备有用于将吹扫流体(通常是空气)给送到谐振器容积6中的开口10。在燃烧器1的操作期间，吹扫空气的质量流12从背面11处的开口10朝向正面流过谐振器容积6，并且通过开口7离开谐振器容积6进入燃烧室8。

侧面14中的凹槽形腔9引起流扰动，如图2a所示。当经过侧腔9的边缘时，涡流13在每个腔9处开始。形成在速度梯度区中的剪切层上卷成螺旋，从而以复杂的相互作用与现有且新的剪切层和涡旋相互作用。因此，这些能量耗散过程吸收声功率。

阻尼器的结构参数和流速被限定，从便以期望的频率抑制。其应用以下方程

U = \frac{f_{0} W_{eff}}{0.39}

其中U是穿过阻尼器的流速，f₀是抑制的频率，W_eff代表腔9的有效宽度，并且除数0.39代表最佳斯德鲁哈尔数。

图3a和3b以示例性方式显示了根据本发明的修改的四分之一波长阻尼器2的不同几何选择。

图3a描绘了波纹阻尼器2。外壳3的至少一个侧面14设有波纹设计。优选地，根据该设计的四分之一波长阻尼器2的截面是圆形的。在该情况下，外壳3由来自适合材料的波纹管制成。

备选地，可提供矩形截面。在该情况下，两个相对的侧面14设有波纹设计。

波纹正交于吹扫空气的质量流12的方向设置。当经过单独的波纹时，在每个腔9处形成相应的涡流。

图3b描绘了备选实施例，侧分支四分之一波长阻尼器。侧腔9的提供限制于纵向侧中的一个。该设计可优选地用于具有矩形截面的阻尼器2。矩形阻尼器的一个侧面14′配备有一定数量的连续布置的侧腔9，而相对表面14"是平坦的。优选地，侧腔9在表面14′的整个宽度上延伸。

图4a和图4b以概略示意方式显示了关于将根据本发明的阻尼装置应用于燃气涡轮的筒式燃烧器的两种基本选择。

为了减小在燃烧器1外侧的所需空间，必须防止四分之一波长阻尼器2朝向燃烧器1的外周突出。

这通过以如下方式围绕燃烧器布置单独的四分之一波长阻尼器2来实现：四分之一波长阻尼器3的纵轴线15倾斜或平行于衬套4的表面。

两种基本选择包括围绕燃烧室沿周向方向或纵向方向的布置。一定数量的四分之一波长阻尼器2围绕燃气涡轮的燃烧器1折叠。这表示，应用的阻尼器2的纵轴线15平行或基本上平行于衬套4的外表面布置。

根据第一选择(图4a)，阻尼器2的纵轴线15与燃烧器1的圆周方向成一直线。一定数量的阻尼器2在燃烧器1的不同轴向位置联接于衬套4。

根据第二选择(图4b)，阻尼器2的纵轴线与燃烧器1的纵轴线成一直线。一定数量的阻尼器2围绕燃烧器的圆周在基本上相同的轴向位置处联接于衬套。

如图所指示，两种选择提供了将不同长度的四分之一波长阻尼器2应用成抑制多于一种主要频率的可能性。

Claims

1.用于制止燃烧室(8)中的燃烧不稳定的、用于燃气涡轮的燃烧器(1)的阻尼装置，其包括从上游端向下围绕所述燃烧室(8)延伸的衬套(4)，沿所述衬套(4)和/或至所述燃烧室(8)的燃料或空气供应管线提供的至少一个声阻尼器(2)，所述声阻尼器(2)包括限定谐振器容积(6)的外壳(3)、用于允许所述谐振器容积(6)和所述燃烧室(8)之间的流体连通的在所述外壳(3)的正面处的孔(7)，所述外壳(3)具有参数使得其充当四分之一波长阻尼器(2)，其特征在于所述谐振器容积(6)由所述外壳(3)的背面(11)和至少一个侧面(14)限制，从而至少一个侧面(14)配备有一个或更多个腔(9)，并且所述背面(11)配备有用于将吹扫流体给送到所述谐振器容积(6)中的至少一个给送孔(10)。

2.根据权利要求1所述的阻尼装置，其特征在于，所述腔(9)中的至少一个是凹槽形的。

3.根据权利要求2所述的阻尼装置，其特征在于，至少一个腔(9)围绕所述侧面(14)周向地延伸。

4.根据权利要求3所述的阻尼装置，其特征在于，两排或更多排周向延伸的腔(9)沿所述外壳(3)的纵向方向连续地布置。

5.根据权利要求2至4中的一项所述的阻尼装置，其特征在于，所述外壳(3)配备有至少一个波纹侧面(14)。

6.根据权利要求1所述的阻尼装置，其特征在于，外壳(3)是管。

7.根据权利要求1所述的阻尼装置，其特征在于，所述外壳(3)具有圆形或椭圆形截面。

8.根据权利要求1所述的阻尼装置，其特征在于，所述外壳(3)具有多边形特别是矩形截面。

9.根据权利要求8所述的阻尼装置，其特征在于，至少一个第一侧面(14′)配备有一个或更多个侧腔(9)，而至少一个第二侧面(14″)是平坦的。

10.根据权利要求1或9所述的阻尼装置，其特征在于，所述阻尼器外壳(3)的纵轴线(15)拥有正交或基本上正交于所述燃烧器衬套(4)的外表面的定向。

11.根据权利要求1所述的阻尼装置，其特征在于，所述阻尼器外壳(3)的纵轴线(15)拥有对于所述燃烧器衬套(4)的外表面的倾斜定向。

12.根据权利要求1所述的阻尼装置，其特征在于，所述阻尼器外壳(3)的纵轴线(15)平行于所述衬套(4)的外表面来布置。

13.根据权利要求1至12中的任一项所述的阻尼装置，其特征在于，所述四分之一波长阻尼器(2)联接于空气供应管线。

14.根据权利要求1至12中的任一项所述的阻尼装置，其特征在于，所述四分之一波长阻尼器(2)联接于筒式燃烧器。

15.根据权利要求1至12中的任一项所述的阻尼装置，其特征在于，所述四分之一波长阻尼器(2)联接于环形燃烧室。

16.设置在压缩机下游和涡轮上游的、用于燃气涡轮的燃烧器，所述燃烧器(1)包括上游端处的至少一个焚烧器，其构造成将燃料和/或空气或燃料/空气混合物喷射到燃烧室(8)中、从所述上游端向下围绕所述燃烧室(8)延伸的衬套(4)，其中所述燃烧器(1)附加地包括根据权利要求1至15中的一项或更多项的、用于制止所述燃烧室(8)中的燃烧不稳定的至少一个四分之一波长阻尼器(2)。

17.根据权利要求16所述的燃烧器，其特征在于，至少两个四分之一波长阻尼器(2)围绕所述燃烧器衬套(4)周向地设置。

18.根据权利要求16所述的燃烧器，其特征在于，至少两个四分之一波长阻尼器(2)设置在所述燃烧器(1)的不同纵向位置。

19.根据权利要求16至18中的一项所述的燃烧器，其特征在于，所述四分之一波长阻尼器(2)中的至少一个围绕所述燃烧器衬套(4)折叠。

20.根据权利要求19所述的燃烧器，其特征在于，所述阻尼器(2)中的至少一个相对于所述燃烧器衬套(4)沿周向方向折叠。

21.根据权利要求19所述的燃烧器，其特征在于，所述阻尼器(2)中的至少一个相对于所述燃烧器衬套(4)沿纵向方向折叠。

22.根据权利要求16所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器(1)是固定燃气涡轮的筒式燃烧器。

23.根据权利要求16所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器(1)是固定燃气涡轮的环形燃烧室。

24.根据权利要求16所述的燃烧器，其特征在于，一定数量的不同几何形状的四分之一波长阻尼器联接于所述衬套(4)。

25.根据权利要求24所述的燃烧器，其特征在于，不同长度的四分之一波长阻尼器(2)联接于所述衬套(4)。