CN104879781A - 用于具有切向流的室的声阻尼装置 - Google Patents

用于具有切向流的室的声阻尼装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于具有切向流的室的声阻尼装置。具体而言，提出一种声阻尼装置，其包括用于密封气体(29)的至少一个开口(27)，以使切向流(19，19.2)远离声阻尼器(11)的口(17)偏转。

Description

用于具有切向流的室的声阻尼装置
技术领域
本发明涉及燃烧动态的声阻尼。本申请的含义中的燃烧动态包括脉动、声振荡、压力和速度波动，和日常用语中的“噪声”。
背景技术
燃烧动态发生在燃气涡轮的燃烧器中，例如，作为燃料供应中的变化的结果。过多的压力波动可导致机器构件的损害。为了简化，随后使用术语“室”，并且其包括发生燃烧动态的所有位置。在这些室中，气体(例如燃料和空气的混合物或热燃烧气体)以高速流动。
为了降低燃烧动态，在本领域中公知的是，安装类似于亥姆霍兹共振器、半波管、四分之一波管或者具有或者不具有气体的流过的其他类型的阻尼装置。
这些声阻尼装置可具有一个或更多个共振频率。如果在燃气涡轮的操作下，燃烧动态激发声阻尼装置的共振频率，则降低或抑制燃烧动态。
图1例示是反射系数(Y轴)及与频率的相关性。
曲线1示出当使用具有大约300赫兹的共振频率的声阻尼装置时的理论反射系数。如可看到的，在300赫兹的频率处，反射系数具有大约为0.5的相对最小值。在大约225赫兹和375赫兹的频率处，反射系数的具有大约为0.75的局部最大值。
给出实例：燃气涡轮的燃烧室装备有具有300赫兹的共振频率的声阻尼吸收器。假设在该燃烧室中的操作下，波动随之导致包括300赫兹的频率，可预期到，由在300赫兹处的反射系数的局部最小值，有效地阻尼和减少具有300赫兹的频率的波动。
在技术实验中，本申请人进行了测量，并将理论反射系数(曲线1)与在50赫兹和400赫兹之间的频率范围处取得的测量值进行了比较。
测得值是在图1中通过点3例示。
通过将测得值与理论反射系数(线1)比较，可看出，在250赫兹与350Hz之间的范围中，测得值3未示出预期的局部最小值。换言之：声阻尼装置不充分地工作。
发明内容
本发明的一个目的，是提供一种声阻尼器，其能够在操作下的燃气涡轮中有效地阻尼，且因此有效地降低由某些频率下的燃气涡轮的操作引起的燃烧动态。
该目的已通过使用包括颈部和阻尼体积的声阻尼器而实现，其中，颈部包括与室流体地连接的口，该室在颈部的口附近包括用于密封气体的至少一个开口。
流动通过至少一个开口到室中的密封气体、空气或者其他合适的气体具有相对于切向流保护阻尼器的口的“防护”或屏蔽效果。结合主张的发明，切向流是或多或少平行于构成阻尼器口的壁的气流。该切向流具有或多或少垂直于阻尼器颈部的主要或者优选方向，且因此可干扰穿过颈部和口到阻尼体积中的气体偏向流。
借助于位于阻尼器口附近的主张的开口或者多个开口，切向流偏转且因而不干扰穿过阻尼器的颈部和口的偏向流，且因此改善阻尼器的性能。
在主张的发明的优选实施例中，用于密封气体的至少一个开口位于口的上游，以便使切向流远离阻尼器的口偏转。如果该开口位于口的上游，则其相对于切向气流有效地保护口。
为了更有效地使切向流远离阻尼器的口偏转，有利的是在口的上游通过两个或更多个开口。在切向流的优选方向可改变的实施例中，优选的是如果三个、四个或者更多个开口位于阻尼器的口附近，以便使切向流与其实际流动方向无关地偏转，且相对于切向流保护阻尼器的口。
为了优化本发明的邻近口的开口的效果，用于密封气体的开口可具有椭圆或正方形截面。当然，开口的特定截面的选择可基于效率，即，切向气流的最优偏转和较少的密封气体消耗。降低密封气体的流量提高了燃气涡轮的总体效率，因为供应具有比室内侧的压力高的压力的密封气体要求能量。
原则上，根据本发明，可获得的任何合适的高压气体源可用于切向流的空气动力屏蔽。在阻尼器是流动通过阻尼器的情况下，流动通过开口到室的密封气体可与流动通过阻尼器到室中的气体类似。
主张的发明可基于任何类型的声阻尼器，例如具有一个或者更多个阻尼体积的共振器、半波管、四分之一波管、多体积阻尼器、衬垫(liner)或者其他种类的声流动通过阻尼器。
主张的发明也可适用于声阻尼器类型的没有流动通过的阻尼器。
如果阻尼器的口通向燃气涡轮的燃烧器室、混合室、增压室和/或空气通道，则可优选地适用主张的发明。
随后结合附图和它们的说明详细地叙述主张的发明的更多优点和细节。
附图说明
附图示出：
图1示出具有300赫兹处的共振频率的示例性声阻尼器的反射系数，
图2示出具有现有技术已知的声阻尼器的燃烧器室，且
图3-7示出主张的发明的若干实施例。
参考标号列表
1 线
3 点
5 室
7 壁
9 内表面
11 声阻尼器
13 颈部13
15 阻尼体积
17 颈部的口
19 箭头/切向流
19.2 偏转的切向流
21 偏向流
23 孔
R1 另一个室
25 孔
27 开口
29 气体/空气流
31 风屏蔽
33 孔
35 开口。
具体实施方式
图2示出了室5的示意截面，例如燃气涡轮的燃烧室CC，其由包含内表面9的至少一个壁7限制。如从图2可见，室5配备有声阻尼器11，声阻尼器11包括颈部13和阻尼体积15。颈部13将阻尼体积15连接至燃烧室5。颈部13的朝燃烧室5的开口称为颈部13的“口”17。
本示例性实施例中的阻尼器11可以是亥姆霍兹共振器，但主张的发明不限于该类型的声阻尼装置。主张的发明可与任何类型的声阻尼装置结合地使用，如半波管、四分之一波管等。本发明可与流动通过声阻尼装置和没有流动通过的声阻尼装置结合地使用。
如可从图2看到的，颈部13的口17和壁面7的内表面9具有相同水平。
在室5中，气体或多或少平行于内表面9而流动。该气体具有优选的流动方向(由箭头19所示)且也称作切向流19。该切向流19的优选方向基本垂直于阻尼体积15与燃烧室5之间的偏向流21，并干扰通过颈部13的偏向流21。切向流19对偏向流21的负面影响如上面结合图1已说明的那样降低阻尼器11的性能。
图3示出了主张的发明的第一实施例。使用的参考标记与图2中的相同，且因此只详细地描述不同。
在图3中，偏向流具有从左至右的优选流动方向，且因此在图3中的口17的上游指口17的左侧。
在本实施例中，阻尼器11是流动通过阻尼器，这意味着阻尼体积15经由颈部13与燃烧室5连接。在阻尼体积15的相反端处，阻尼体积15经由小孔23连接至另一个室R1。
如可从图3看到的，在口17附近且在口17的上游，存在具有开口27的另一个孔25。孔25连接室5和R1。
由于室R1中的压力pR1高于室5中的压力p5，从而密封穿过孔25和开口27从室R1到室5中的空气。因为孔23的具有相当小的直径，故其流动阻力大，且因此孔23限制穿过阻尼器11的偏向流21。
所得的压力差Δp(＝pR1-p5)不仅导致穿过阻尼器11的偏向流21，还导致穿过孔25和开口27的密封气体流29。
管23的流动阻力大于颈部13的流动阻力。这意味着孔23处的压力减少Δp23大于阻尼器的颈部13处的压力减少Δp13。换言之：Δp23＞Δp13。
这意味着管23由于其小直径和/或其长度而作用为减少穿过颈部13的偏向流21的流量限制器。
室R1可以是任何高压力环境，例如罩(hood)或衬垫压力或用于冷却空气的储蓄器。在主张的发明的大多数设备中，室5是燃气涡轮的燃烧室，但主张的发明不局限于其。
流动通过孔25且以或多或少垂直于切向流19的方向经由开口27进入室5的密封气体使该切向流远离阻尼器11的口17偏转。
如结合图2所描述的，在室5中，可存在速度远大于偏向流21的速度的切向流19。
孔25的流动阻力小于孔23的流动阻力。这可通过对孔25提供比孔23大的直径而实现。
因此，由穿过孔25的箭头例示的气流29远大于偏向流21，尽管阻尼器11和孔25从同一室R1供应空气或气体且通往同一室5中。
如可通过比较箭头29和19看出的，穿过孔25的密封气体流的速度甚至高于切向流19的速度。
穿过孔25的空气或气体流29的大速度使切向流19远离内表面9且远离阻尼器11的口17偏转，如图3中的箭头19.2所示。效果如箭头19.2所示(被偏离的切向流)。
由此，切向流19不到达阻尼器11的口17，且因此偏向流21不再受切向流19干扰。因此，阻尼器11的效率和效力高，且与切向流19无关。
回到附图1，根据主张的发明的阻尼器11的特性类似于图1中的线1。当然，这只是示例，且相同发明可以适用于具有与300赫兹不同的阻尼频率的阻尼器11。
在图4中，从另一个方面示出了相同布置。在图4的右部中，可以看到，离开开口27的空气或者气体29以高速进入室5，且通过使切向流19远离内表面9和口17偏转来相对于切向流19保护阻尼器11的口17。去往孔25进入室5的气体或者空气为风屏蔽31，其相对于切向流19保护阻尼器的口17和偏向流21。
换言之：口17在由穿过孔25的空气或气体的流29生成的“风屏蔽31”的下风侧上。由于在大多数情况下口17应该在风屏蔽31的下风侧上，故优选至少一个开口27位于口17的上游。
在图4的左侧，示出了从室5到具有口17和开口27的内表面9上的俯视图。可看出，切向流19也沿侧向方向偏转，这进一步提高了风屏蔽31的效率。
图5示出了具有邻近阻尼器11的口17的两个孔25和32的本发明的第二实施例。在该情况下，一个开口27在口17的上游，且另一个开口35在口17的下游。如可从图6看到的，源自穿过开口35的空气或气体流的风屏蔽37支撑和加强从第一开口27开始的风屏蔽31。
因此，穿过口17的偏向流21甚至更好地相对于切向流进行保护。
在图7中，示出用来供应密封气体或空气29以用于增大风屏蔽31的孔的若干设计和布置。
实施例7a已结合图4描述。
在图7b中例示的实施例中，开口27具有椭圆形截面，其加宽风屏蔽31且从而导致偏向流21的更好保护。
在图7c中例示的实施例中，存在布置在口17的上游的具有椭圆形截面的两个开口27。
根据图7d中例示的实施例，存在位于口17上游的具有圆形截面的5个开口27。
在图7e中，存在具有矩形截面的一个开口7，且在图7f中，一个实施例例示为具有带矩形截面的四个开口27。
图7g例示了具有带弯曲截面的开口12和27的实施例。
图7h中例示的实施例是从图5和6已知的。图7e和7j中例示的实施例例示了具有三个和四个开口27的其他实施例。

Claims (9)

1.一种声阻尼器(11)，其包括颈部(13)和阻尼体积(15)，其中，所述颈部(13)包括口(17)，所述口(17)与室(5)流体地连接，其特征在于，用于密封气体的至少一个开口(27，35)位于所述颈部(13)的口(17)附近。
2.根据权利要求1所述的阻尼器，其特征在于，在所述室(5)的内侧，具有优选流动方向(19)的气体在所述口(17)的上方流动，并且，所述用于密封气体的至少一个开口(27，35)位于所述口(17)的上游。
3.根据权利要求1或2所述的阻尼器，其特征在于，流动通过用于密封的至少一个开口(27，35)的气体使具有优选流动方向(19)的气体流远离所述颈部(13)的口(17)偏转。
4.根据前述权利要求中的一项所述的阻尼器，其特征在于，若干开口(27，35)，优选为3到8个，更优选为4或5个开口(27，35)，位于所述颈部(13)的口(17)附近。
5.根据前述权利要求中的一项所述的阻尼器，其特征在于，所述用于密封气体的至少一个开口(27，35)具有圆形、椭圆形或方形截面。
6.根据前述权利要求中的一项所述的阻尼器，其特征在于，所述用于密封气体的至少一个开口(27，35)被供应来自高压环境的气体，高压环境例如所述燃气涡轮的罩。
7.根据前述权利要求中的一项所述的阻尼器，其特征在于，流动通过所述至少一个开口(27，35)的所述密封气体是冷却空气，或燃烧或未燃烧空气和燃料的混合物。
8.根据前述权利要求中的一项所述的阻尼器，其特征在于，所述阻尼器(11)是具有一个或者多个阻尼体积(15，33)的亥姆霍兹共振器、半波管、四分之一波管、多体积阻尼器、衬垫或者任何类型的声流动通过阻尼器。
9.根据前述权利要求中的一项所述的阻尼器，其特征在于，所述室(5)是燃气涡轮的燃烧器室、混合室、增压室和/或空气通道。
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