CN105716117B - 包括减振器的燃气涡轮燃料管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃气涡轮燃料管(10)，其包括：燃料管线(12)，燃料管线(12)包括燃料管线腔(14)、燃料管线外壁(16)和燃料管线外壁(16)中的开口；减振器(13)，其包括减振器腔(18)和减振器外壁(20)，并且附连成与燃料管线(12)处于流体连通，其中，减振器(13)覆盖燃料管线外壁(16)中的开口；以及穿孔衬套(21)，其延伸跨过燃料管线外壁(16)中的开口的至少一部分。还描述了各种实施例，以及使用该设备的方法。

Description

包括减振器的燃气涡轮燃料管

技术领域

本发明涉及燃气涡轮燃料管，并且更特别地涉及包括减振器的燃气涡轮燃料管。

背景技术

由于燃烧不稳定性，所以在燃气涡轮的燃烧室中产生声脉动。这些脉动可在燃料分配系统(FDS)中传播，并且可为当量比源，并且因此可为热释放波动源，这进而使得增强在燃烧器中的燃烧不稳定性。FDS中的另一个脉动源是流在燃料管线中引起的脉动。这个燃料供给不稳定性机构可导致燃烧室中有燃烧不稳定性。在燃烧器测试期间已经观察到FDS中的脉动达到较高的幅度。这些高幅脉动对FDS产生结构振动，结构振动可损害结构完整性。燃烧不稳定性对于燃烧系统的性能是有害的。它们会缩短燃烧器硬件的寿命，并且因此可对燃气涡轮排放有不利影响。因此已经理解的是，需要缓解措施来减弱FDS中的脉动。

在现有技术中，燃料管线压降提高，以对燃烧室和燃料分配系统之间的脉动进行声去耦。这个提高会造成以下问题：需要较高的压力来将燃料驱动到发动机中。此外，燃料压力要求提高可增加发动机的成本，因为可能需要专用燃料压缩系统来实现足够的燃料压力。另外，这个解决方案仅抵销燃料管线和燃烧室之间的耦合，但对于燃料管线(燃料供给不稳定性机构)内部产生的任何脉动没有任何减振作用。对燃烧室和燃料管线之间的脉动去耦的其它可能性是使用气体限流器，以及使燃料喷嘴动态地平衡。这些解决方案对燃烧室和燃料管线之间的脉动提供去耦，但对燃料管线内部产生的脉动没有减振作用。

可用来减少燃烧室和燃料管线之间的耦合，而且还可减小燃料管线内部产生的脉动的现有解决方案使用赫尔姆霍茨(Helmholtz)减振器或扩张室减振器。扩张室解决方案提供窄带声吸收，而且是被动减振器。被动减振器提供声传输损耗(TL)，因为会反射进入波，使输出波减少到最小。被动减振器的缺点在于，由于减振器的反射特性，在进入波在其中传播的燃料管线中可产生高脉动。这些高脉动可引起高结构振动，这对于结构完整性是有害的。

已经理解的是，可作出改进来减轻上面提到的问题。

发明内容

在现在应参照的所附独立权利要求中限定本发明。在从属权利要求中阐述本发明的有利特征。

根据本发明的第一方面，提供一种燃气涡轮燃料管，它包括：燃料管线，燃料管线包括燃料管线腔、燃料管线外壁和在燃料管线外壁中的开口；减振器，其包括减振器腔和减振器外壁，并且附连成与燃料管线处于流体连通，其中，减振器覆盖燃料管线外壁中的开口；以及延伸跨过燃料管线外壁中的开口的至少一部分的穿孔衬套。这使得能够对燃料管线和燃烧室进行声去耦，而且还可减弱在燃料管线内产生的脉动。减振还在一定范围的频率上出现。

大体上，燃气涡轮燃烧器的燃料分配系统(FDS)的穿孔管减振器(或减振器)是有耗散的被动减振器。被动特征是由于扩张室(减振器腔)引起的，而耗散则是由于流在穿孔衬套中的孔眼处与声波相互作用引起的。耗散特性可最大程度地减少在扩张室减振器中观察到的管道系统中的高脉动累积。FDS穿孔管减振器仅引起最小压降，这最大程度地降低了燃料供给压力要求。

穿孔管减振器可减小燃气涡轮燃烧器的FDS中的波动引起的振动和脉动。FDS穿孔管减振器可对在FDS中传播的波提供声吸收。这可减少燃烧室和燃料管线之间的声耦合。此外，这个减振器可减弱燃料管线(燃料供给不稳定性机构)内部产生的脉动。因此减振器可减弱脉动，而且实际上还减弱脉动产生的振动。燃料管线的振动可损害硬件。脉动可直接影响燃烧。

在实施例中，穿孔衬套从始至终延伸跨过开口。

在实施例中，穿孔衬套延伸跨过开口的一部分，并且无孔衬套延伸跨过开口的其余部分。

在实施例中，挡板布置成跨过燃料管线的在减振器附近的燃气涡轮燃料管的区域内的至少一部分。也就是说，挡板布置成在燃料管线的垂直于燃料管线的纵向轴线的横截面上跨过燃料管线的至少一部分。这使得燃料传送通过减振器，从而提高减振作用。

在实施例中，燃气涡轮燃料管的在减振器上游的部分相对于燃气涡轮燃料管的在减振器下游的部分沿轴向移位。

在实施例中，减振器围绕燃料管线的周边延伸。

在实施例中，燃气涡轮燃料管另外包括在燃料管线内部的中心本体，中心本体在燃料管线中的在减振器附近的点处沿着燃料管线的纵向轴线延伸。这提高了减振性能。优选地，中心本体是燃料管线内部的燃料管线。这允许在内部燃料管线和燃料管线中使用不同的燃料。

在实施例中，燃气涡轮燃料管另外包括燃料管线内部的燃料管线，并且挡板附连到内部燃料管线上。

在实施例中，燃气涡轮燃料管具有至少一个且优选至少两个大约90°的角。这允许燃气涡轮燃料管适应燃气涡轮的其它特征。在实施例中，减振器在至少一个90°角的下游。在另一个实施例中，减振器在所有90°角的下游。将减振器置于燃料喷射点下游附近可较有效地减少燃烧室和燃料管线之间的声耦合。

本发明的第二方面提供包括任何前述权利要求的燃气涡轮燃料管的燃气涡轮。

本发明的第三方面提供一种运行燃气涡轮的方法，燃气涡轮包括：燃料管线，燃料管线包括燃料管线腔、燃料管线外壁和在燃料管线外壁中的开口；减振器，其包括减振器腔和减振器外壁，并且附连成与燃料管线处于流体连通，其中，减振器覆盖燃料管线外壁中的开口；以及延伸跨过燃料管线外壁中的开口的至少一部分的穿孔衬套，方法包括沿着燃料管线供给燃料，以及减弱来自燃烧室和燃料管线的振动和/或脉动。

附图说明

现在将仅以示例的方式且参照附图来描述本发明的实施例，其中：

图1显示根据本发明的燃气涡轮燃料管的示例；

图2显示包含本发明的燃气涡轮的一部分；

图3显示根据本发明的另一个实施例的燃气涡轮燃料管的示例；

图4显示根据本发明的另一个实施例的燃气涡轮燃料管的示例；

图5A显示根据本发明的另一个实施例的燃气涡轮燃料管的示例；

图5B显示图5A的燃气涡轮燃料管的横截面图；

图6A显示根据本发明的另一个实施例的燃气涡轮燃料管的示例；

图6B、6C和6D显示图6A的三个实施例的横截面图。

图7显示根据本发明的另一个实施例的燃气涡轮燃料管的示例；

图8显示根据本发明的另一个实施例的燃气涡轮燃料管的示例；

图9A显示根据本发明的另一个实施例的燃气涡轮燃料管的示例；

图9B显示图9A的燃气涡轮燃料管的横截面图。

部件列表

10燃气涡轮燃料管

12燃料管线

13减振器

14燃料管线腔

16燃料管线外壁

18减振器腔

20减振器外壁

21穿孔衬套

24燃气涡轮燃烧器

25燃料流

30燃烧室

32空气入口

38空气流

40热气流

41无孔衬套

44挡板

50上游燃料管线

52下游燃料管线

54第一穿孔衬套

56第二穿孔衬套

58另一个穿孔衬套

60内部燃料管线

62燃料供给

64燃烧器外壁

66纵向轴线。

具体实施方式

图1显示燃气涡轮燃料管10的一部分，包括燃料管线12和减振器13。燃料管线12包括燃料管线腔14、燃料管线外壁16和在燃料管线外壁中的开口。减振器13与燃料管线处于流体连通，并且附连到燃料管线上，以覆盖燃料管线外壁中的开口。减振器13包括减振器腔18和减振器外壁20。穿孔衬套21延伸跨过燃料管线外壁中的开口，从而界定减振器腔和燃料管线腔的边缘。

图2显示图1中显示的燃气涡轮燃料管的较多部分和燃气涡轮燃烧器的局部视图。除了图1中显示的特征之外，图2还显示了燃烧室30和空气入口32。在图2的实施例中，显示了减振器在燃料管线中的所有90°角的下游。一个90°角在空气入口中，而在较上游，在燃烧器外部存在第二个90°角。

当燃气涡轮燃料管在使用中时，燃料25沿着燃料管线供给。从燃烧室进入燃料管线的任何振动或脉动将倾向于在减振器13中被减弱，而且从燃料分配系统沿着燃料管线传来的或来自燃料管线本身的任何振动或脉动也将倾向于被减弱。这些可包括燃料供给(燃料供给不稳定性机构)中的波动引起的振动或脉动。这个减弱会减少来自燃烧室的脉动与燃料管线中的脉动的声耦合。

图1和2中描述的减振器是具有耗散的被动减振器。被动特征是由于扩张室(减振器腔)引起的，而耗散是由于流在穿孔衬套中的孔眼处与声波相互作用引起的。

这种设计的减振器产生的关键特征之一在于它使得能够在不显著地减小喷射系统压降的情况下进行声减振；即，在燃料经过减振器时的压降最小。

参照图2，流经燃料管线的燃料25与来自空气入口的空气38混合(或者在顺序燃烧系统中的下一个喷燃器的情况下，空气与热气混合)，其中燃料-空气混合物在燃烧室中燃烧，从而产生热气40。

图3显示图1的燃气涡轮燃料管的实施例。不是穿孔衬套跨过燃料管线外壁的整个开口，而是衬套的一部分为无孔衬套。在这种情况下，显示了两个无孔区段21和两个穿孔区段41。可提供不同数量的无孔和穿孔区段。

图4显示燃气涡轮燃料管的另一个实施例。在这个实施例中，穿孔衬套仅延伸跨过燃料管线外壁开口的一部分。

图5A显示燃气涡轮燃料管的另一个实施例。在这个实施例中，挡板44置于燃料流中。这迫使燃料传送通过减振器腔。这会提高减振器上的压降，但会改进减振。为了完整，图5B显示了图5A的实施例的沿着线A-A的横截面。

图6A显示燃气涡轮燃料管的另一个实施例。这里，燃料管线是交错的；也就是说，在减振器13下游的燃料管线12(下游燃料管线52)相对于减振器上游的燃料管线(上游燃料管线50)沿轴向移位，所述轴线是在减振器的上游和下游的燃料管线的轴线。这个性质的减振器允许较灵活地布置减振器，因为允许将减振器置于交错管上。

在图6B、6C和6D中，显示了图6A的两个备选实施例，两幅图都显示沿着图6A的线B-B的横截面。在图6B中，第一穿孔衬套54与上游燃料管线50相关联，而第二穿孔衬套56则与下游燃料管线52相关联。燃料流25被迫通过第一穿孔衬套54和第二穿孔衬套56两者。

在图6C和6D中，减振腔18仍然存在，但它们是分开的，而且包括两个另外的穿孔衬套58。燃料流25传送通过两个另外的穿孔衬套。备选地，不提供或者仅提供一个另外的穿孔衬套。

图7显示燃气涡轮燃料管的另一个实施例，并且类似于图6A，但是燃料管中的开口仅部分地被穿孔衬套覆盖，这类似于图4中的想法。

图8显示燃气涡轮燃料管的另一个实施例。在这个实施例中，减振器和燃料管线是弯曲的；这可有利于安装在燃料管的弯曲区段中。大体上，减振器不局限于特定形状，而且取决于燃气涡轮中可用的空间、需要减弱的振动，以及燃料管线的形状，可获得设计的灵活性。

图9A显示燃气涡轮燃料管的另一个实施例，图9B显示图9A的燃气涡轮燃料管的沿着线C-C的横截面。在这个实施例中，燃料管线12另外包括内部燃料管线60。内部燃料管线可运送油，以进行油操作，而燃料管线本身运送气体，以进行气体操作；相反也可行的是在内部燃料管线中运送气体，以及在燃料管线中运送油。气体和/或油在供给62处供给。减振器如前面描述的那样；可选地包括挡板44，并且其可附连到穿孔衬套和/或内部燃料管线上。未显示管的下游端，燃料在那里引出到燃烧室中。燃气涡轮也未显示，但在这个实施例中显示的管可沿着燃烧器的外部延伸，大致平行于燃烧器的纵向轴线。燃烧器的外壁的位置由虚线64显示。

在图9A中，显示了减振器在燃烧器外部在一个90°角的上游(相对于燃料流)，其中这个90°角对应于图2中的上游90°角。在图9A中，减振器也在第二90°角的下游。图9A中显示的位置是对于减振器来说较好的位置，因为它可减弱从它上游的燃料管线中的90°角向下游来的振动/脉动(和来自任何其它上游的振动/脉动)，以使影响燃烧的这些振动/脉动停止。它还可减弱从燃烧室和减振器下游的燃料管线的一部分向上游来的振动/脉动。

更一般而言，不是图9A中显示的内部燃料管线，而是可添加中心本体，它在燃料管线中的在减振器附近的点处沿着燃料管线的纵向轴线66延伸。中心本体延伸通过减振器附近的燃料管线的至少一部分，并且优选地在上游和/或下游沿着燃料管线延伸超过减振器。

图1和3至8的实施例显示了各种不同的想法。这些想法可混合和结合起来，以提供许多不同的组合；例如，图5A的挡板可结合到图3和4的实施例中，者或图3至5的实施例可结合到图6A至6C中的交错管或图8的弯曲管中。

可在燃料分配系统内提供燃气涡轮燃料管10，燃料分配系统另外包括燃料喷射构件诸如喷嘴和导叶。燃气涡轮燃料管可安装在燃烧器的内部或外部，如实施例所显示的那样。减振器13(穿孔管减振器)可置于燃料管线中的任何适当的点处，而且不局限于图2和图9A中显示的位置。优选地，减振器尽可能地接近燃料喷射点，因为这是最有效地使燃料管线和燃烧室振动去耦的点。

仅针对燃料管线12显示实施例中的90°角的方向变化。这个角不必正好是90°，而是将取决于燃气涡轮燃烧器的结构。在一些情况下，燃料管线可描述比 90°小得多的角，图8的实施例显示其中一个示例。

任何实施例都可包括像图9A中提供的那样的内部燃料管线。大体上，与其中不存在内部燃料管线的实施例相比，包括内部燃料管线60会减小燃料管线的横截面积。

可提供多个减振器，而非仅仅一个减振器，诸如图6C和6D中显示的那样。还可在同一燃料管线上的不同点处提供多个减振器；例如，可在燃料管线出口前面不远处提供减振器(例如图2)，而且可在较上游提供第二减振器(例如图9A)。可在图2的实施例内提供任何实施例的减振器。

大体上，减振器可围绕燃料管线的周边延伸，诸如在图5B和6B中，或者仅部分地围绕燃料管线延伸，诸如在图6C和6D中。

图5B和6B至6D的横截面提供减振器横截面的一些可行变化的想法。虽然图5B中显示的横截面为圆形，而且图6B至6D中显示的横截面为长方形，但是减振器、燃料管线和内部燃料管线的腔和横截面可为各种其它形状和不规则形状。例如，图6B至6D中显示的燃料管线的横截面可为圆形。由于各种其它燃气涡轮燃烧器构件的空间要求，在燃料管线传送绕过其它构件和传送经过其它构件时，燃料管线的横截面特别是沿着燃料管线从一个点到另一个点可有非常大的变化；燃料管线形状和横截面积的这个可变性可导致流分离，并且因此导致额外的振动和脉动。管中的转向和弯曲也可导致进一步的流分离。

上面描述的穿孔衬套可穿有各种形状和型式的孔。穿孔衬套具有一个或多个孔眼(多个孔)，优选至少四个孔眼。孔眼可为直孔眼(孔眼壁相对于穿孔衬套成直角)或斜孔眼(孔眼壁相对于穿孔衬套不成直角)。它们可具有尖锐边缘或圆形边缘。它们可为薄的(厚度小于直径)或厚的(厚度大于直径)。孔通常都是相同的，但也可不同，例如不同的大小或者直孔眼和斜孔眼混合。

穿孔衬套的一部分或全部可为燃料管线外壁的一部分，在燃料管线外壁中形成孔眼。类似地，无孔衬套41也可为燃料管线外壁的组成部分。

包括本文描述的设备的燃气涡轮将典型地包含压缩机、燃烧器和涡轮。燃气涡轮可为顺序燃烧燃气涡轮。

挡板44可部分地或完全阻挡燃料流路径。在具有内部燃料管线的实施例中，挡板可附连到内部燃料管线上。可对挡板穿孔。

对描述的实施例进行各种修改是可行的，而且本领域技术人员将想到各种修改，而不偏离由所附权利要求限定的本发明。

Claims (14)

1.一种燃气涡轮燃料管(10)，包括

-燃料管线(12)，所述燃料管线(12)包括燃料管线腔(14)、燃料管线外壁(16)和在所述燃料管线外壁(16)中的开口，

-减振器(13)，其包括减振器腔(18)和减振器外壁(20)，并且所述减振器(13)附连成与所述燃料管线(12)处于流体连通，其中，所述减振器(13)覆盖所述燃料管线外壁(16)中的开口，以及

-延伸跨过所述燃料管线外壁(16)中的开口的至少一部分的穿孔衬套(21)；

挡板(44)布置成在所述减振器(13)附近跨过所述燃料管线(12)的至少一部分。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮燃料管(10)，其特征在于，所述穿孔衬套(21)从始至终延伸跨过所述燃料管线外壁(16)中的开口。

3.根据权利要求1所述的燃气涡轮燃料管(10)，其特征在于，穿孔衬套(21)延伸跨过所述开口的一部分，并且无孔衬套(41)延伸跨过所述燃料管线外壁(16)中的开口的其余部分。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的燃气涡轮燃料管(10)，其特征在于，所述燃气涡轮燃料管(10)的在所述减振器(13)上游的部分相对于所述燃气涡轮燃料管(10)的在所述减振器(13)下游的部分沿轴向移位。

5.根据权利要求1至3中的任一项所述的燃气涡轮燃料管(10)，其特征在于，所述减振器(13)围绕所述燃料管线(12)的周边延伸。

6.根据权利要求1至3中的任一项所述的燃气涡轮燃料管(10)，其特征在于，所述燃气涡轮燃料管(10)另外包括在所述燃料管线(12)内部的中心本体，所述中心本体在所述燃料管线中的在所述减振器附近的点处沿着所述燃料管线的纵向轴线延伸。

7.根据权利要求6所述的燃气涡轮燃料管(10)，其特征在于，所述中心本体是所述燃料管线(12)内部的内部燃料管线(60)。

8.根据权利要求1至3中的任一项所述的燃气涡轮燃料管(10)，其特征在于，所述燃气涡轮燃料管(10)另外包括在所述燃料管线(12)内部的内部燃料管线(60)，并且所述挡板(44)附连到所述内部燃料管线(60)上。

9.根据权利要求1至3中的任一项所述的燃气涡轮燃料管(10)，其特征在于，所述燃气涡轮燃料管(10)具有至少一个大约90°的角。

10.根据权利要求1至3中的任一项所述的燃气涡轮燃料管(10)，其特征在于，所述燃气涡轮燃料管(10)具有至少两个大约90°的角。

11.根据权利要求9所述的燃气涡轮燃料管(10)，其特征在于，所述减振器(13)在至少一个90°角的下游。

12.根据权利要求10所述的燃气涡轮燃料管(10)，其特征在于，所述减振器(13)在所有90°角的下游。

13.一种燃气涡轮，包括权利要求1-12中的任一项所述的燃气涡轮燃料管(10)。

14.一种运行燃气涡轮的方法，所述燃气涡轮包括：燃料管线(12)，所述燃料管线(12)包括燃料管线腔(14)、燃料管线外壁(16)和在所述燃料管线外壁(16)中的开口；减振器(13)，其包括减振器腔(18)和减振器外壁(20)，并且附连成与所述燃料管线(12)处于流体连通，其中，所述减振器(13)覆盖所述燃料管线外壁(16)中的开口；以及穿孔衬套(21)，其延伸跨过所述燃料管线外壁(16)中的开口的至少一部分；挡板(44)布置成在所述减振器(13)附近跨过所述燃料管线(12)的至少一部分，所述方法包括

-沿着所述燃料管线(12)供给燃料，以及

-减弱来自燃烧室(30)和所述燃料管线(12)的振动和/或脉动。