CN105650192B - 亥姆霍兹减振器和带有这种亥姆霍兹减振器的燃气涡轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及亥姆霍兹减振器和带有这种亥姆霍兹减振器的燃气涡轮。一种尤其用于对燃气涡轮的燃烧器中的脉动减振的亥姆霍兹减振器(24)，包括可通过颈部管(26)连接到被减振空间(19)的减振器腔(25)，并且还包括活塞(27)，其可在所述减振器腔(25)内移动并且将所述减振器腔(25)划分成在所述活塞(27)的一侧的可变第一部分(V1)，以及在所述活塞(27)的另一侧的相应地可变的第二部分(V2)，所述可变第一部分(V1)连接到所述颈部管(26)。以较紧凑的设计显著简化控制机制，因为所述活塞(27)由所述减振器腔(25)的所述第一部分和所述第二部分(V1,V2)之间的压降(∆p)来驱动。

Description

亥姆霍兹减振器和带有这种亥姆霍兹减振器的燃气涡轮

技术领域

本发明涉及燃烧技术领域。它涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的亥姆霍兹(Helmholtz)减振器。

它还涉及带有这种亥姆霍兹减振器的燃气涡轮。

背景技术

图1以透视图显示GT13 E2类型的示范性的固定或者工业燃气涡轮。燃气涡轮10在壳体13包括转子12，其围绕机器轴线旋转并且在壳体13内限定在周向方向上延伸通过机器的环形热气通道。带有若干级运转叶片的压缩机14压缩通过空气入口11进入机器的空气。具有压缩机出口压力pk2的压缩空气填充稳压室并且进入燃烧器15，在那里，其与由多个喷燃器16供应的燃料混合。在这种情况下，喷燃器16构造成所谓的AEV(或者高级环境涡旋)喷燃器，其例如在文献WO 2009/109454中有描述。

图2显示通用亥姆霍兹减振器构造的主要参数。图2的亥姆霍兹减振器20包括具有容积V的减振器腔21，其经由长度为L_N且内径为D_N的颈部管22与被减振空间(燃烧器)19处于流体连接；u表示平均偏流。该减振器的共振频率f大约可由以下公式来计算：

音速为c，并且颈部管22的面积为A_N以及长度为L_N。

这表示，

。

当亥姆霍兹减振器20被附连在图1的燃气涡轮10的燃烧器15上时，亥姆霍兹减振器20由燃气轮机的稳压室包围，稳压室充满具有压缩机出口压力pk2的压缩空气。通过孔口23将冷却空气引入减振器腔21中，由于在(较高的)压缩器出口压力pk2与燃烧器的燃烧室内的(较低的)压力之间的差值，冷却空气经历压降∆p。

此外，已知燃烧器内的脉动频率取决于燃气涡轮的运行模式。尤其，当燃气涡轮从部分负荷运行改变到基本负荷运行时，脉动频率f_P中存在改变，反之亦然。对于在图1中显示的类型的燃气涡轮，在部分负荷与基本负荷之间，脉动频率f_P可存在高达20%的改变，脉动频率随着负荷增长而增长。

为了维持这种燃气涡轮所使用的亥姆霍兹减振器的最大减振属性，减振器的共振频率需调整到脉动频率，即使燃气涡轮的负荷工况改变。根据以上给出的公式，减振器容积V应根据负荷工况的改变而改变。

在现有技术中，描述了通过移动的活塞在亥姆霍兹减振器中进行闭环容积调整的解决方案。但是，由于控制设备(环路)、步进马达和活塞制造公差的高成本，该方案不是用于实际发动机的解决方案。

另外现存的解决方案是仅放置更多调整到不同的频率的减振器。

如下引用一些已知的解决方案：

文献EP 2 397 761 A1公开了一种亥姆霍兹减振器和一种用于调节亥姆霍兹减振器的共振频率的方法。尤其，它涉及连接到燃气涡轮的贫燃预混、低排放的燃烧系统的亥姆霍兹减振器，其中所述亥姆霍兹减振器包括封罩，颈部从该封罩延伸，并且管子插入颈部中且匹配颈部。尤其，执行器连接到管子以调整其插入颈部的部分。

文献EP 2 397 760 A1公开了一种减振器组件，其具有与第二亥姆霍兹减振器串联连接的第一亥姆霍兹减振器。第一亥姆霍兹减振器的共振频率和第二亥姆霍兹减振器的共振频率彼此偏离一定量，从而产生协同减振效果。

文献DE 100 26 121 A1描述了一种用于对燃烧器中的声振动减振的装置和带有该装置的相应的燃烧器组件。该装置包括亥姆霍兹共振器，其可经由连接通道与燃烧器相连接。亥姆霍兹共振器包含空心体，其容积可通过经由供应管路增加或者排出流体而改变，或者亥姆霍兹减振器位于这种空心体附近，使得当空心体的容积改变时亥姆霍兹减振器的容积改变。该装置使得可根据需减振的燃烧器的相应当前运行点改变布置在压力容器中的亥姆霍兹共振器的共振频率，而不需要可移动的构件穿过压力容器。

文献US 8,661,822 B2公开了一种带有涡轮发动机的系统，包括：压缩机；涡轮；布置在压缩机下游和涡轮机上游的燃烧室；构造成喷射一种或多种流体进入燃烧器的流体喷射系统；与流体喷射系统联接的几何结构可变的共振器；和构造用于响应于反馈而调整几何结构可变的共振器的控制器。

但是，所有这些解决方案的问题是一方面它们增加成本，并且由于有限的空间，通常完全不可能将减振器放入发动机中。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种亥姆霍兹减振器，其结构简单、要求最少的空间并且具有自调整能力。

本发明的另一目的是提供一种具有一种设计的亥姆霍兹减振器，该设计允许以适用于发动机内部的燃烧器环境并且满足稳定可靠性和成本要求的方式来调整减振器腔。

本发明的又一目的是提供一种带有这种亥姆霍兹减振器的燃气涡轮。

这些和其它目的通过根据权利要求1所述的亥姆霍兹减振器和根据权利要求8所述的燃气涡轮来实现。

根据本发明的尤其适用于对燃气涡轮的燃烧器中的脉动减振的亥姆霍兹减振器包括减振器腔，其可通过颈部管连接到被减振空间；亥姆霍兹减振器还包括活塞，其可在所述减振器腔内移动并且将所述减振器腔划分成在所述活塞的一侧的可变第一部分，和在所述活塞的另一侧的相应地的可变第二部分，所述可变第一部分连接到所述颈部管。其特征在于，所述活塞由在所述减振器腔的所述第一部分和第二部分之间的压降来驱动。

根据本发明的亥姆霍兹减振器的实施例的特征在于，活塞通过弹簧被保持在空载位置，其中所述减振器腔的第一部分最大，并且所述压降克服所述弹簧的力而驱动活塞。

特别地，所述活塞布置在所述减振器腔的所述第一部分内。

备选地，所述弹簧布置在所述减振器腔外部并且通过活塞杆作用在所述活塞上，活塞杆从所述活塞延伸到所述减振器腔外部。

特别地，所述弹簧是螺旋弹簧。

根据本发明的亥姆霍兹减振器的另一实施例的特征在于，所述减振器腔的所述第二部分与所述减振器腔的外部处于流体连接。

特别地，所述减振器腔由罩壳包围，并且所述流体连接由所述罩壳中的至少一个开口建立。

根据本发明的燃气涡轮包括压缩机、至少一个燃烧器和涡轮，其中所述至少一个燃烧器由燃烧器壳体包围，燃烧器壳体外部暴露于所述压缩机的压缩机出口压力，其中在一个燃烧器处提供至少一个亥姆霍兹减振器并且其连接到所述一个燃烧器，以对所述燃烧器内的脉动减振。其特征在于，所述至少一个亥姆霍兹减振器是根据本发明的亥姆霍兹减振器，并且在所述压缩机出口压力和所述燃烧器内的压力之间的压降被用于驱动所述至少一个亥姆霍兹减振器的所述活塞。

根据本发明的燃气涡轮的实施例的特征在于，所述至少一个亥姆霍兹减振器通过适配器件附连到燃烧器壳体上。

特别地，所述至少一个亥姆霍兹减振器通过在所述燃烧器壳体中的孔连接到所述燃烧器，并且所述适配器件包括插件，其匹配到所述孔中并且接纳所述至少一个亥姆霍兹减振器的颈部管使得所述颈部管通过所述插件，以向外通到所述燃烧器中

更特别的是，提供颈部管适配器，以抵靠着所述插件密封所述颈部管。

尤其，所述颈部管可松脱地连接到所述至少一个亥姆霍兹减振器的减振器腔。

根据本发明的燃气涡轮的另一个实施例的特征在于，所述燃烧器是环形的结构，并且多个亥姆霍兹减振器围绕所述燃烧器沿周向布置。

附图说明

现在通过不同实施例并且参考附图更密切地解释本发明。

图1以透视图显示GT13 E2类型的固定燃气涡轮，燃气涡轮适合与根据本发明的亥姆霍兹减振器一起使用；

图2显示基本的亥姆霍兹减振器构造的主要参数；

图3显示作为示范性的燃气涡轮的相对燃气涡轮负荷的函数的绝对压降∆p的实例；

图4显示根据本发明的亥姆霍兹减振器的实施例，其活塞(a)处于起始位置和(b)处于由一定压降∆p驱动的激活位置。

图5显示根据本发明的另一实施例的亥姆霍兹减振器，其被附连并且联接于图1中显示的类型的燃气涡轮的燃烧器；以及

图6：(a)详细显示图5的亥姆霍兹减振器并且(b)更详细地显示了所述减振器的活塞；

图7显示了附连并且联接到筒式燃烧器的根据本发明的另一实施例的亥姆霍兹减振器。

附图标记

10燃气涡轮 (例如GT13 E2的类型)

11空气入口

12转子

13壳体

14压缩机

15,33,49燃烧器

16AEV 喷燃器

17涡轮

18排气出口

19被减振空间

20,24,38,48亥姆霍兹减振器 (HHD)

21,25,40减振器腔

22,26,43颈部管

23,32,47孔口

25a,40a罩壳

27,44活塞

28活塞杆

29承载板

30,45弹簧(螺旋)

31,46开口

34燃烧器壳体

35燃烧器出口

36孔

37插件

39热气

41基底元件

42颈部管适配器

A1,A2面积

H1,H2高度

∆H高度差

∆p 压降

p_C燃烧器压力

pk2燃烧器出口压力

RL_GT相对GT负荷。

具体实施方式

如之前所述，燃气涡轮燃烧器中的脉动频率通常随着相对负荷的增加而增加。对于部分负荷运行优化的减振器因此在基础负荷时不展示其最大减振性能，反之亦然。

本发明的想法是利用燃烧器稳压室与燃烧室之间的压降∆p，其也随着相对负荷RL_GT的增加而增加。图3显示了作为示范性的燃气涡轮的相对燃气涡轮负荷的函数的绝对压降∆p的测量结果。

本发明追求探索该事实，使得减振器的容积V减少，使得其共振频率得到持续调整，以在所要求的频率提供最高的减振。由于事实上减振器腔的外部暴露于压缩机出口压力pk2，所以这是可能的，其中减振器内部的压力很接近燃烧室的压力。

图4显示根据本发明的亥姆霍兹减振器的实施例。在图4(a)中显示减振器在起始位置中，其减振器腔最大。图4 (b)显示减振器在激活位置，其中由于在减振器内部和外部之间的压降∆p，减振器腔已经自动减少。

根据图4的亥姆霍兹减振器24包括减振器腔25，其由罩壳25a包围。减振器腔25通过可在所述减振器腔25中移动的活塞27被划分成在活塞27的一侧的可变第一部分V1和在所述活塞27的另一侧的相应地可变的第二部分V2。可变第一部分V1连接到所述亥姆霍兹减振器24的颈部管26。可变第二部分V2通过设在罩壳25a中的开口31连接到亥姆霍兹减振器24的外部。照这样，燃烧器压力p_C通过颈部管26作用在具有面积A2的活塞27的一侧上，而压缩器出口压力pk2通过开口31作用在具有面积A1的活塞27的另一侧上，使得跨越活塞27存在压降∆p=pk2-p_C。活塞27中设有孔口32以允许一些冷却空气进入。

当亥姆霍兹减振器24在其起始位置(Fig. 4(a))时，由直径D或面积A1和高度H1限定容积。当由于压降∆p，活塞27已移动距离∆H(Fig. 4(b))时，减振器腔(V1)减少到A2 xH2。压降∆p作用在活塞27上的驱动力由螺旋弹簧30的弹簧力来平衡，螺旋弹簧在该情况下布置在减振器腔的外部并且当活塞27离开其起始位置时螺旋弹簧被压缩。弹簧30布置在罩壳25a的顶部与活塞杆28的端部处的承载板29之间，活塞杆28从活塞27延伸到减振器腔25的外部并且用作将平衡弹簧力联接到活塞27。

在图5和图6中显示一种根据本发明的亥姆霍兹减振器的更紧凑的设计，其更适合应用于燃气涡轮燃烧器33。

图5和图6的亥姆霍兹减振器38被附连到燃烧器壳体33的一个位置，在该位置，热气39被导向至燃烧器出口35。亥姆霍兹减振器38包括由罩壳40a包围并且由活塞44划分的减振器腔40。罩壳40a在其上侧处通过宽开口46与环境(稳压室压力pk2)处于流体连接。在其下侧，其由碗状的基底元件41封闭。从燃烧室延伸到减振器腔40的内部的单独的颈部管43连接减振器腔与燃烧器。颈部管43被固定在颈部管适配器42中，颈部管适配器42被保持在基底元件41与用于安装减振器组件到燃烧器壳体34的孔36中的插件37。颈部管43可为任意横截面形状。

具有用于冷却目的孔口47的活塞44被设计成自由活塞。平衡螺旋弹簧45布置在减振器腔40中。该具有自由活塞和内部平衡弹簧的结构在一方面很紧凑，仅要求最小的空间，而在另一方面被保护免于外部冲击的影响。

图7的实施例示意性地显示附连到筒式燃烧器49的亥姆霍兹减振器48。箭头39表示热气流。减振器48围绕筒式燃烧器49沿周向布置，形成环状的减振器腔40，分别包围燃烧室或热气路径。至少一个任意横截面设计的颈部管43连接要减振的空间19与减振器腔40的可变第一部分V1。至少一个开口46连接可变第二部分V2与亥姆霍兹减振器48外部的环境。减振器腔40的可变第一部分V1和减振器腔40的可变第二部分V2由活塞44分开。活塞44布置并且设计用于执行平行于燃烧器49的轴线的运动，因此与螺旋型的平衡弹簧45 相互作用，弹簧45沿着减振器罩壳40a的侧向表面区域布置在减振器腔40内。

Claims (12)

1.一种燃气涡轮(10)，包括压缩机(14)、至少一个燃烧器(33)和涡轮(17)，其中所述至少一个燃烧器(33)由燃烧器壳体(34)包围，所述燃烧器壳体(34)外部暴露于所述压缩机(14)的压缩机出口压力(pk2),其中在一个燃烧器(33)处提供至少一个亥姆霍兹减振器(24, 38)并且其连接到所述一个燃烧器(33)，以对所述燃烧器(33)内的脉动减振，其中，所述至少一个亥姆霍兹减振器(24, 38)为亥姆霍兹减振器(24，38)，所述亥姆霍兹减振器(24，38)包括减振器腔(25, 40)，其通过颈部管(26, 43)连接到所述燃烧器(33)；所述亥姆霍兹减振器(24，38)还包括活塞(27, 44)，其可在所述减振器腔(25, 40)内移动并且将所述减振器腔(25, 40)划分成在所述活塞(27, 44)的一侧的可变第一部分(V1)，以及在所述活塞(27, 44)的另一侧的相应地可变的第二部分(V2)，所述可变第一部分(V1)连接到所述颈部管(26, 43)，其特征在于，所述减振器腔(25, 40)的所述第二部分(V2)与具有所述压缩机出口压力(pk2)的所述减振器腔(25, 40)外部处于流体连接，并且所述活塞(27, 44)由所述压缩机出口压力(pk2)与所述燃烧器(33)内的压力之间的压降(∆p)来驱动。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮，其特征在于，所述活塞(27, 44)通过弹簧(30, 45)被保持在空载位置，其中所述减振器腔(25, 40)的第一部分(V1)最大，并且所述压降(∆p)克服所述弹簧(30, 45)的力而驱动所述活塞(27, 44)。

3.根据权利要求2所述的燃气涡轮，其特征在于，所述弹簧(45)布置在所述减振器腔(40)的所述第一部分(V1)中。

4.根据权利要求2所述的燃气涡轮，其特征在于，所述弹簧(30)布置在所述减振器腔(25)外部并且通过活塞杆(28)作用在所述活塞(27)上，所述活塞杆(28)从所述活塞(27)延伸到所述减振器腔(25)外部。

5.根据权利要求2所述的燃气涡轮，其特征在于，所述弹簧(30, 45)是螺旋弹簧。

6.根据权利要求1所述的燃气涡轮，其特征在于，所述减振器腔(25, 40)由罩壳(25a,40a)包围，并且所述流体连接由所述罩壳(25a, 40a)中的至少一个开口(31, 46)建立。

7.根据权利要求1所述的燃气涡轮，其特征在于，所述至少一个亥姆霍兹减振器(38)通过适配器件(37, 41, 42)附连到所述燃烧器壳体(34)上。

8.根据权利要求7所述的燃气涡轮，其特征在于，所述至少一个亥姆霍兹减振器(38)通过在所述燃烧器壳体(34)中的孔(36)连接到所述燃烧器(33)，并且所述适配器件(37, 41,42)包括插件(37)，其匹配到所述孔(36)中并且接纳所述至少一个亥姆霍兹减振器(38)的颈部管(43)使得所述颈部管(43)通过所述插件(37)，以向外通到所述燃烧器(33)中。

9.根据权利要求8所述的燃气涡轮，其特征在于，提供颈部管适配器(42)，以抵靠着所述插件(37)密封所述颈部管(43)。

10.根据权利要求8所述的燃气涡轮，其特征在于，所述颈部管(43)可松脱地连接到所述至少一个亥姆霍兹减振器(38)的减振器腔(40)。

11.根据权利要求1所述的燃气涡轮，其特征在于，所述燃烧器(33)是环形的构造，并且多个亥姆霍兹减振器(38)围绕所述燃烧器(33)沿周向布置。

12.根据权利要求1所述的燃气涡轮，其特征在于，所述至少一个燃烧器是筒式的，并且所述亥姆霍兹减振器(48)围绕所述筒式燃烧器(49)沿周向布置。

Images