CN105452773B - 用于阻尼声音的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于阻尼由燃气涡轮发动机燃烧器(14)的燃烧器壁部分地容纳的气流的声压振荡的设备(8)。设备(8)包括带有闭合端、开口端(18)和它们之间的腔的至少一个谐振管(10)。腔与燃烧器(14)的内部流体连通，使得气流可流入和流出腔。设备(8)还包括定位在开口端(18)处且包括多个孔口(28)的穿孔板(26)。流入和流出腔的气流行进穿过孔口(28)。

Description

用于阻尼声音的设备和方法
相关申请的交叉引用
本PCT实用申请请求享有具有美国专利申请序列第61 / 865,361号的题为"Apparatus and Method for Dampening Acoustics"且具有2013年8月13日的申请日的当前未决临时专利的优先权和权益，其全部通过引用并入本文中。
技术领域
本申请涉及涡轮，并且更具体地涉及控制燃气涡轮发动机燃烧器中的动态压力脉冲的声阻尼设备。
背景技术
破坏性声压振荡或压力脉冲可由于取决于燃料空气化学计量、总质量流和其它操作条件的正常操作条件在燃气涡轮发动机的燃烧器中生成。燃气轮机燃烧器设计朝满足联邦和地方空气污染标准所需的低排放的当前趋势导致了使用贫预混燃烧系统，其中燃料和空气在火焰反应区域上游均一地混合。这些燃烧系统操作所处的燃料空气比或当量比相比于更常规的燃烧器更"贫"，以便保持低火焰温度，这继而又将不需要的气态NOx排放的产生限制于可接受的水平。尽管在不使用水或蒸汽喷射的情况下实现低排放的该方法广泛使用，但与低当量比下的操作相关联的燃烧不稳定性也趋于在燃烧器中产生不可接受的高动态压力振荡，这可导致硬件破坏和其它操作问题。非期望的声音的共振频率的变化也是压力振荡的结果。尽管本领域中的当前装置目的在于消除、防止或减小动态压力振荡，但当前装置不能解决操作期间的自然频率可变化且限于涡轮发动机中的特定地点以便适当起作用的情形。因此，所需的是一种解决本领域中的这些及其它问题的设备。
发明内容
为此，提供了一种设备，其构造成在不同频率下且不管设备的位置而阻尼关于燃烧器中的压力改变的声音。本发明目的在于以简单且有效的方式阻尼压力，而不管设备关于燃烧器的放置，而非转变为使用带有若干复杂和/或移动零件的复杂系统，或将设备设计成包括设计成仅使用相位补偿来阻尼压力的特定大小(通过产生与来自燃烧过程的入射声波异相的反射声波)。
在一个实施例中，提供了一种用于阻尼由燃气涡轮发动机燃烧器的燃烧器壁部分地容纳的气流的声压力振荡的设备。该设备包括带有封闭端、开口端和它们之间的腔的至少一个谐振管。腔与燃烧器的内部流体连通，使得气流可流入和流出腔。设备还包括定位在开口端处且包括多个孔口的穿孔板，其中流入和流出腔的气流行进穿过孔口。
在另一个实施例中，提供了一种可改造到燃气涡轮发动机燃烧器的四分之一波形管(QWT)上的设备。设备适于相对于阻尼燃烧器中的声压振荡增大四分之一波形管的有效性范围，声压振荡在谐振频率下谐振。四分之一波形管改造成带有构造成阻尼目标频率下的声压振荡的设备，其中目标频率在谐振频率的大约250Hz内。
在另一个实施例中，提供了一种阻尼由燃气涡轮发动机燃烧器的燃烧器壁部分地容纳的气流的声压振荡的方法。该方法包括使谐振管的腔与燃烧器的内部流体连通，使得气流可流入和流出腔。燃烧器包括闭合端、开口端，以及它们之间的腔。该方法还包括将穿孔板定位在谐振管的开口端处，穿孔板包括多个孔口，其中流入和流出腔的气流行进穿过孔口。
附图说明
图1示出了用于阻尼包括壳体的燃气涡轮发动机燃烧器中的声音的设备的一部分。
图2示出了图1的设备的后部透视图。
图3示出了图1的设备的侧视图。
图4示出了图1的设备的截面透视图，示出了腔。
图5示出了现有技术的设备的阻尼声音的有效性的图表。
图6示出了本发明的一个实施例的阻尼声音的有效性的图表。
图7示出了以示意性形式示出的现有技术的装置的至少气流和温度特征。
图8示出了以示意性形式示出的与本发明的一个实施例相关联的至少气流和温度特征的效果。
具体实施方式
参看图1-4，设备8包括用壳体12至少部分地包围的谐振管10。所示壳体12是可选的，且在一些实施例中，可有助于关于燃烧器14附连谐振管10，使得谐振管10可阻尼由燃烧器14容纳的气流的声压振荡。谐振管包括吹扫孔15。谐振管10包括闭合端16、开口端18和它们之间的腔20。谐振管10放置为与燃烧器14的内部22流体连通，使得气流可流入和流出腔20。开口端18基本上与燃烧器14的内表面24齐平。图1-4仅示出了谐振管10的长度的一部分，且将认识到的是，谐振管10可具有比所示更长的长度(例如，见图8)。
穿孔板26定位在开口端18处，且包括多个孔口28，使得流入和流出腔20的气流行进穿过孔口28。尽管仅示出了一个穿孔板26，但有可能使用一个以上的穿孔板26。此外，有可能的是，在其它实施例中，穿孔板26可具有多于或少于所示的孔口28，且孔口28可为不同于所示的形状。此外，穿孔板26可与谐振管10的其余部分整体结合，或可为固定在谐振管10的开口端18处或附近的单独的构件。例如，穿孔板26可改造在燃烧器的现有的四分之一波形管上。为此，穿孔板26的实施例将可改造在燃气涡轮发动机燃烧器的现有的四分之一波形管上或中。将认识到的是，穿孔板26可改造在燃烧器的现有四分之一波形管上，以便提供与设备8的不同实施例相同或相似的利益。
将理解的是，与燃烧器的操作相关联的动态压力脉冲或声压振荡将过大的机械应力施加到燃气涡轮发动机上。燃气轮机燃烧器设计朝满足联邦和地方空气污染标准所需的低NOx排放的当前趋势导致了使用预混燃烧系统，其中燃料和空气使用旋流混合器的相对开放的流动类型在火焰反应区域上游均一混合，这形成反馈环，反馈环继而又允许声振荡或其压力波在涡轮入口导叶的级与压缩机出口导叶的级之间基本上无阻碍地且穿过燃烧器的全长来回反弹。此燃烧器的实例在美国专利第7,059,135号中公开，该专利的全部通过引用并入本文中。这些燃烧系统操作所处的燃料空气比或等量比相比于常规燃烧器更"贫"，以保持低火焰温度来将气态NOx排放限于所需的水平。尽管在不使用水或蒸汽喷射的情况下实现低排放的该方法广泛使用，但与低当量比下的操作相关联的燃烧不稳定性也趋于在燃烧器中产生不可接受的高动态压力振荡，导致硬件破坏和其它操作问题。鉴于此本文所述的技术，开发出了用于压制或衰减来自燃烧器内的声压振荡的压力脉冲的设备。不同于本领域中的其它装置，设备8可有效地用于涡轮发动机的"冷侧"或"热侧"上。如本文中所使用的，"冷侧"意思是表示空气/燃料混合器上游的区域，而"热侧"意思是表示空气/燃料混合器的下游的区域。
图5示出了示出如本领域中已知的典型的四分之一波形管的有效性的图表。如图所示，一旦燃烧器14中的声压振荡的谐振或实际频率不再在目标频率的大约25Hz内，则吸收系数大体上小于0.4或40%。当描述某一规定值(例如，频率)是否在某一值的大约n(例如，Hz)内时，这意味着规定值在加或减大约n内，除非另外规定。如本文中所使用的，"目标频率"意味着描述燃烧器14意在该处操作的范围，或阻尼装置设计成在该处最有效的频率(即，在其中吸收系数为大约1，或100%)。"谐振频率"意思是描述燃烧器14操作所处的实际频率，包括发生声压振荡的时间。现有技术的典型的四分之一波形管阻尼100%的声压振荡仅在很窄的范围处有效，这示为在吸收系数等于1或100%的点处。
图6示出了阻尼声压振荡中的如本文所述的设备8的一个实施例的有效性的图表。谐振管10构造成阻尼在目标频率的大约250Hz内谐振的声压振荡，而非在目标频率的大约25Hz下有效。尽管有效性(由吸收系数所示)随实际谐振频率偏离目标频率减小，但如本文所述的谐振管10比本领域中已知的装置更有效地阻尼声压振荡。如图所示，谐振管10构造成在谐振频率在目标频率的大约250Hz内时，阻尼声压振荡的至少40%。此外，谐振管10构造成在谐振频率在目标频率的大约150Hz内时，阻尼声压振荡的至少60%。甚至进一步，谐振管构10构造成在谐振频率在谐振频率的大约100Hz内时，阻尼声压振荡的至少80%。
图5和6中所示的操作频率的此范围特别用于燃烧器14的一个实施例，且将认识到的是，设备8如所述参照其它频率范围有效，而不管低于或高于图5和6中所示的那些。当贫燃烧器在不同功率水平下操作时，相关联的燃料分级可导致燃烧器中的不同频率，这可差别为100Hz。由于在功率水平变化(导致如本文所述的非期望声音)时发生的谐振频率的较宽范围，故现有技术的QWT将沿燃烧器14的操作的显著部分无效。
如本文所述的设备8的有效性部分地由于由穿孔板26的放置引起的偏压流。如本文公开的设备8，以及出现的所得偏压流，阻尼压力振荡到由粘性等引起的热，而非如典型QWT的情况中那样单独依靠相位补偿(通过产生与来自燃烧过程的入射声波异相的反射声波)。图7(最坏情况)示出了在QWT和现有技术的QWT的燃烧器中产生的温度差和涡流，而图8示出了带有如本文所述的谐振管10的一个实施例相同的特征。如本文公开的谐振管10的第一效果在于包括穿孔板26的谐振管10的温度降低谐振管10自身内的温度。相对于现有技术的附图，相比于本公开内容的附图，在谐振管10内可看到更多摄取的热气体(如由升高温度的区域所示)。热气体摄取进一步降低了现有技术的装置的有效性，因为声速与温度成比例，且声音的波长(诸如，声压振荡)取决于声速。因此，升高QWT内的温度改变振荡的波长。由于典型的QWT设计成以特定声波长有效操作，故改变波长会降低QWT的有效性。
注意图8(最坏情况)，如本文公开的设备8防止部分由于偏压流引起的提到的热气体摄取。流出谐振管10的偏压流允许较少热燃烧气体进入谐振管10，这有助于谐振管10的较低内部温度，且因此出于上文所述的原因的较高有效性。尽管本文所述的谐振管10的实施例并不仅依靠将其长度与涡轮发动机中的声音的波长匹配，但防止谐振管10中的升高温度引起的波长的变化可提高其有效性。
设备8的第二效果在于将非期望的声能转变成涡旋能量。涡旋能量最终阻尼或消散，且由于燃烧器14中的气流的粘性而转换成热。由穿过孔口的流振荡引起的涡旋(QWT中示出且燃烧器14中未示出)提高湍流粘性，导致了燃烧器14内的热消散。此外，由设备8的穿孔板26引起的偏压流至少沿燃烧器14的壁阻尼粘性。偏压流还吸收声压振荡，使得吸收系数(见图6)提高。
尽管本发明已经通过各种优选实施例的描述示出，且尽管已经有些详细描述了这些实施例，但申请人不意图将所附权利要求的范围约束或以任何方式限制于此细节。附加的优点和修改将对于本领域的技术人员很容易清楚。本发明的各种特征可取决于使用者的需要和偏好而独立地或以任何组合使用。这是连同当前已知的实施本发明的优选方法的本发明的描述。如果这些其它实例具有并非不同于权利要求的书面语言的结构元件，或如果这些其它实例包括与权利要求的书面语言无实质差别的等同结构元件，则这些其它实例将在权利要求的范围内。

Claims (16)

1.一种用于阻尼由燃气涡轮发动机燃烧器(14)的燃烧器的内表面(24)部分地容纳的气流的声压振荡的设备(8)，所述设备(8)包括：
带有闭合端(16)、开口端(18)和它们之间的腔(20)的至少一个谐振管(10)，所述腔(20)与所述燃烧器的内部(22)流体连通，使得气流可流入和流出所述腔(20)；以及
定位在所述开口端(16)处且包括多个孔口(28)的穿孔板(26)，其中流入和流出所述腔(20)的气流行进穿过所述孔口(28)；
其中，所述谐振管(10)定位在空气/燃料混合器下游。
2.根据权利要求1所述的设备(8)，其特征在于，离开所述腔(20)的气流为偏压流的形式。
3.根据权利要求1所述的设备(8)，其特征在于，离开所述腔(20)的气流构造成阻尼所述燃烧器中气流的粘性。
4.根据权利要求1所述的设备(8)，其特征在于，所述燃烧器(14)的功率输出是可变的。
5.根据权利要求1所述的设备(8)，其特征在于，所述谐振管(10)具有中空圆柱形式。
6.根据权利要求1所述的设备(8)，其特征在于：
所述燃烧器(14)的声压振荡在谐振频率下谐振，
所述谐振管(10)构造成阻尼目标频率下谐振的所述声压振荡，所述目标频率在所述谐振频率的大约250Hz内。
7.根据权利要求6所述的设备(8)，其特征在于，所述谐振管(10)构造成在所述谐振频率在所述目标频率的大约250Hz内时阻尼所述声压振荡的至少40％。
8.根据权利要求6所述的设备(8)，其特征在于，所述谐振管(10)构造成在所述谐振频率在所述目标频率的大约150Hz内时阻尼所述声压振荡的至少60％。
9.根据权利要求6所述的设备(8)，其特征在于，所述谐振管(10)构造成在所述谐振频率在所述目标频率的大约100Hz内时阻尼所述声压振荡的至少80％。
10.根据权利要求6所述的设备(8)，其特征在于，所述目标频率在大约300Hz和大约500Hz之间。
11.一种可改造在燃气涡轮发动机燃烧器(14)的四分之一波形管上的设备(8)，所述设备适于相对于阻尼所述燃烧器(14)中的声压振荡而增大所述四分之一波形管的有效性范围，所述声压振荡在谐振频率下谐振，所述四分之一波形管改造成带有构造成阻尼目标频率下的声压振荡的所述设备(8)，所述目标频率在所述谐振频率的大约250Hz内；其中，所述四分之一波形管位于空气/燃料混合器下游。
12.根据权利要求11所述的设备(8)，其特征在于，所述设备进一步限定为穿孔板(26)。
13.根据权利要求12所述的设备(8)，其特征在于，所述设备(8)定位在所述四分之一波形管的开口端(18)处，所述开口端(18)与所述燃烧器的内部(22)连通。
14.一种阻尼由燃气涡轮发动机燃烧器(14)的内表面(24)部分地容纳的气流的声压振荡的方法，所述方法包括：
使谐振管(10)的腔(20)与所述燃烧器的内部(22)流体连通，使得气流可流入和流出所述腔(20)，所述谐振管(10)包括闭合端(16)、开口端(18)和它们之间的所述腔(20)；
将穿孔板(26)定位在所述谐振管(10)的所述开口端(18)处，所述穿孔板(26)包括多个孔口(28)，其中流入和流出所述腔(20)的气流行进穿过所述孔口(28)；
其中，所述谐振管(10)定位在空气/燃料混合器下游。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述燃烧器(14)的声压振荡在谐振频率下谐振，且所述方法还包括阻尼目标频率下谐振的所述声压振荡，所述目标频率在所述谐振频率的大约250Hz内。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述燃烧器(14)的声压振荡在谐振频率下谐振，且所述方法还包括阻尼目标频率下谐振的所述声压振荡，所述目标频率在大约300Hz和大约500Hz之间。
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