CN107869733A

CN107869733A - 用于燃气涡轮筒形燃烧器的环形亥姆霍兹阻尼器

Info

Publication number: CN107869733A
Application number: CN201710865544.8A
Authority: CN
Inventors: J.伊姆菲德; P.马洛
Original assignee: Energy Resources Switzerland AG
Current assignee: Energy Resources Switzerland AG; Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 2016-09-22
Filing date: 2017-09-22
Publication date: 2018-04-03
Anticipated expiration: 2037-09-22
Also published as: EP3299721A1; CN107869733B; US10928068B2; US20180080652A1; EP3299721B1

Abstract

一种用于燃气涡轮筒形燃烧器的环形亥姆霍兹阻尼器，该环形亥姆霍兹阻尼器具有轴线并且包括：内壁和外壁，其相对于轴线同心地布置以限定围绕筒形燃烧器布置的环形阻尼容积；前圆周板和后圆周板，其用于在上游和下游关闭环形阻尼容积；至少一个中间圆周板，其布置在前板和后板之间用于将环形阻尼容积划分成主容积和副容积；至少一个主颈部，其在内壁处通过并且构造成用于流体地连接主容积与筒形燃烧器室；至少一个中间颈部，其通过中间圆周板而构造成用于流体地连接主容积与副容积；多个吹扫孔，其通过后圆周板而构造成用于使吹扫空气进入副容积中；多个中间泄放孔，其通过中间圆周板而构造成用于使所收集的液体从主容积泄放至副容积。

Description

用于燃气涡轮筒形燃烧器的环形亥姆霍兹阻尼器

技术领域

本发明涉及用于燃气涡轮的阻尼器。具体地，本发明涉及用于燃气涡轮筒形燃烧器的环形亥姆霍兹（Helmholtz）阻尼器，其构造成阻尼在燃气涡轮的操作期间产生的压力波动。

背景技术

燃气涡轮提供有一个或多个燃烧室，在其中燃料被注入、混合至空气流并被点燃，以生成在涡轮中膨胀的高压气体。

在操作期间，在燃烧室内可产生压力波动，其可导致机械损坏和限制操作方式（regime）。尽管如此，这些压力波动的频率仍可在燃气涡轮与燃气涡轮之间轻微地变化并且此外对于同一燃气涡轮而言，它也可在燃气涡轮操作（例如部分负载、基本负载、过渡等）期间轻微地变化。

通常，燃气涡轮必须在贫燃模式（lean mode）中操作以便符合污染排放。在此种操作模式期间的喷燃器火焰对于流动扰动特别敏感并且可容易地与燃烧室的动态特性相耦合而导致热声不稳定。为此，燃烧室通常提供有阻尼装置，例如四分之一波管、亥姆霍兹阻尼器或者声障板，以便阻尼这些压力波动。

传统的亥姆霍兹阻尼器包括用作谐振器容积的阻尼容积以及流体地连接至燃烧室的颈部。如上所述，因燃烧产生的压力波动需要被阻尼。

亥姆霍兹阻尼器的谐振频率（也即，阻尼频率）取决于谐振器容积和颈部的几何结构特征并且必须对应于在燃烧室中产生的压力波动的频率。具体地，谐振器容积和颈部几何形状决定亥姆霍兹阻尼器的本征频率。亥姆霍兹阻尼器的最大阻尼特性在本征频率获得并且它典型地处在非常窄的频带中。

通常，由于亥姆霍兹阻尼器用于解决低频范围的压力脉动（50-500Hz），故亥姆霍兹阻尼器的容积大小增大。在一些情况下，亥姆霍兹阻尼器的容积甚至可相当于燃烧器室大小。此外，为了阻尼在足够大带宽中的压力波动，需要多个亥姆霍兹阻尼器连接至燃烧室。

共同的亥姆霍兹阻尼器连接至燃烧室的前面板壁。然而，由于在此种前面板壁上的空间受限，故这种安装（installation）对于具有高容积大小的亥姆霍兹阻尼器并不可行。

当前已知另一种亥姆霍兹阻尼器安装，在其中阻尼容积围绕燃烧室布置。这种安装适于筒形燃烧器，在其中亥姆霍兹阻尼器的内壁存在于燃烧器壁中。鉴于围绕筒形燃烧器的部署，这种亥姆霍兹阻尼器称为“环形”阻尼器。

根据现有技术，环形亥姆霍兹阻尼器可提供有多个环形容器，其沿着筒形燃烧器的轴线串联地互连以便阻尼其大的频带。主容积（提供有流体地连接至燃烧室的主颈部）和附加容积由提供有多个中间颈部的圆周板分隔开。

共同的环形亥姆霍兹阻尼器的后壁包括与主颈部相对地定位的多个通过的吹扫孔。实际上，为了防止热气体摄取，吹扫空气经由吹扫孔进入阻尼器容积并且经由主颈部离开。

如上所述，用于燃气涡轮的阻尼器的容积对于低频阻尼而言很大。并行地，相当大量的液体收集在此种阻尼容积内的风险增大。如果收集在阻尼器内的液体量超出阻尼器容积的某一百分比，则阻尼器再也无法高效地工作直至液体被蒸发。另外，如果收集在阻尼器内的液体包含燃料，则在燃气涡轮的启动期间在阻尼器容积内存在爆燃的风险。

发明内容

因此，本发明的主要目的在于提供一种用于燃气涡轮筒形燃烧器的环形亥姆霍兹阻尼器，其允许通过较快地蒸发剩余液体来降低在阻尼器内收集液体（可能包含燃料）的风险。

为了解决上述客观技术问题，本发明提供一种用于燃气涡轮筒形燃烧器的环形亥姆霍兹阻尼器，其中，环形阻尼器具有轴线并且包括：

- 内壁和外壁，其相对于轴线同心地布置以便限定围绕筒形燃烧器布置的环形阻尼容积；优选地，阻尼器内壁至少部分地存在于燃烧器室壁中并且因此阻尼器为围绕管状热气体路径的壳体的整体部分；

- 前圆周板和后圆周板，其用于在上游和下游关闭环形阻尼容积；

- 至少一个中间圆周板，其布置在前板和后板之间用于将环形阻尼容积划分成主容积和至少副容积。

用语“内”和“外”参看与筒形燃烧器轴线对应的阻尼器轴线。用语“前/上游”和“后/下游”参看穿过筒形燃烧器的热气体的主流动。

环形阻尼器还包括：

- 至少一个主颈部，其通过内壁并且构造成用于流体地连接主容积与筒形燃烧器的燃烧室；

- 至少一个中间颈部，其穿过中间圆周板而构造成用于连接主容积与副容积；以及

- 多个吹扫孔，其通过后圆周板而构造成用于吹扫空气进入副容积中。

主颈部将主环形容积连接至涡轮热气体路径以便阻尼特定的脉动频率。中间颈部将副环形阻尼器容积连接至主阻尼器容积以便增大被阻尼脉动频率的范围。

吹扫空气经由吹扫孔进入阻尼器容积并且经由主颈部离开以便防止热气体摄取。

根据本发明的第一方面，环形亥姆霍兹阻尼器包括通过中间圆周板的多个中间泄放孔。

有利地，如上所述布置的中间泄放孔通过将此种收集的液体从主容积泄放至副容积来减少流体收集，其中，流体可经过吹扫孔而从阻尼器流出。

根据本发明的第二方面，环形亥姆霍兹阻尼器包括穿过前圆周板的多个旁通吹扫孔。

有利地，如上所述布置的旁通吹扫孔还用作泄放孔以通过从主容积穿过旁通吹扫孔向外泄放此种收集的液体而减少可能的流体收集。

此类旁通吹扫孔的存在也可相对于中间泄放孔的存在是独立的。实际上，中间泄放孔构造成从主容积泄放流体至副容积。

当然，同时地存在旁通吹扫孔和中间泄放孔允许本发明的阻尼器在多种组件状况中更为有效。

具体地，中间泄放孔和吹扫孔布置在相应的中间圆周板和后圆周板外部。

有利地，吹扫孔和中间泄放孔的径向地定位在外部允许最大程度地减小收集在阻尼器中的流体的水平。优选地，吹扫孔围绕相关板的整个圆周均匀地布置。

具体地，阻尼器包括多个中间颈部以及旁通吹扫孔和中间颈部布置在相应的中间圆周板和前圆周板外部。

有利地，中间颈部和旁通吹扫孔的径向地定位在外部允许最大程度地减小收集在阻尼器中的流体的水平。优选地，旁通吹扫孔围绕相关板均匀地布置并且此类孔的至少一部分与中间颈部对准。

具体地，中间颈部沿着中间圆周板的第一半部均匀地布置以及中间泄放孔沿着中间圆周板的相对的第二半部均匀地布置。

有利地，中间颈部可在多种组件状况中用作泄放通道。

具体地，外壁是直的以及内壁包括在从主容积至副容积的转变（passage）处的台阶，因此内壁和外壁之间的距离在主容积处比在副容积处更高。中间颈部的直径基本上对应于在副容积处位于内壁和外壁之间的距离。

有利地，在多种组件状况中，收集在副容积中的液体可全部地穿过中间颈部流出。

主颈部和中间颈部的尺寸如同主容积和副容积的尺寸那样必须根据待阻尼的脉动频率范围来计算。

众所周知，阻尼器当其接近于燃烧室中经常（或持续，standing）波型的脉动最大值时将具有最好的阻尼效果。传统的亥姆霍兹阻尼器的谐振频率给定如下：

其中，Fn为阻尼器的谐振频率，An为颈部面积，V为阻尼器中的谐振器容积，Ln为颈部长度。C为阻尼器内流体的平均声速。

例如，在EP2828579中公开了涉及亥姆霍兹阻尼器的结构和功能特征的更多细节。

本发明还涉及提供有如前文所述阻尼器的燃烧器筒（can）。实际上，阻尼器优选地与筒形燃烧器形成为一体，因为内壁存在于燃烧器室壁中。阻尼器可沿着轴线相比于筒形燃烧器显露相同长度。最后，本发明还涉及一种燃气涡轮能量设备，其包括提供有所述环形亥姆霍兹阻尼器的多个筒形燃烧器。

应当理解，前述总体说明和下文详细说明都是示例性的，并且意图提供对所要求保护的本发明的进一步阐释。根据下文的说明、附图和权利要求，本发明的其它优点和特征将是清楚的。

认为是新颖的本发明的特征详细地在所附权利要求中列出。

附图说明

在适当地参照附图仔细地阅读详细说明后，本发明的其它益处和优点将变得明显。

然而，通过结合附图参照本发明的以下详细说明（其描述本发明的示例性实施例），可更好地理解本发明自身，其中：

图1为根据本发明用于燃气涡轮筒形燃烧器的环形亥姆霍兹阻尼器的实施例的远景示意图；

图2为根据本发明在用于燃气涡轮筒形燃烧器的环形亥姆霍兹阻尼器中孔和颈部的圆周分布的示意图；

图3为环形亥姆霍兹阻尼器关于燃气涡轮轴线的圆周分布的示意图；

图4至图9为在不同组件位置中在根据本发明的环形亥姆霍兹阻尼器与根据现有技术的环形亥姆霍兹阻尼器之间的示意性比较。

具体实施方式

结合附图，在下文根据优选实施例描述本发明的技术内容和详细说明而非用来限制其实施范围。根据所附权利要求作出的任何同等变型和修改全都由本发明所主张的权利要求涵盖。

现在将参照附图来详细地描述本发明。

参看图1，其为根据本发明与相关筒形燃烧器形成一体地实现的环形亥姆霍兹阻尼器的示意性远视图。具体地，图1公开了具有上游端15和下游端16的筒形燃烧器14。用语“上游”和“下游”参看在图1中由箭头M表示的热气体的主流动。筒形燃烧器14仅由具有壁2的圆筒示意性地表示。燃烧室对应于此种圆筒壁2内的内部容积。根据这个实施例，筒形燃烧器14围绕燃烧室提供有环形亥姆霍兹阻尼器1，其中，燃烧器壁2对应于阻尼器内壁2。

此种阻尼器1可称为“环形”阻尼器，因为阻尼容积由上述内壁2和相对于轴线A围绕筒形燃烧器同心地布置的外壁3所限定。

在图1的实施例中，环形亥姆霍兹阻尼器1沿着轴线A相比于相关筒形燃烧器14更短。然而，根据本发明的环形亥姆霍兹阻尼器1也可显露相比于筒形燃烧器14同等的长度。

环形亥姆霍兹阻尼器1包括构造成用于在上游和下游关闭环形阻尼容积的前上游圆周板4和后下游圆周板。根据图1的实施例，前上游圆周板4对应于筒形燃烧器14的上游端15。

在图1中，外壁3表示为“透明的”以便显露布置在前板4和后板5之间的中间圆周板6。这种中间圆周板6构造成用于将环形阻尼容积划分成串联（或连续）的两个子容积，也即主容积7和副容积8。根据图1的实施例，阻尼器1包括仅一个中间圆周板6。然而，阻尼器1也可包括多于一个的中间圆周板6以便获得彼此并且还相对于主容积7串联地布置的多个副容积8。

主容积7经由通过内壁2的主颈部9流体地连接至燃烧室。根据图1的实施例，阻尼器1包括仅一个主颈部9。然而，阻尼器1也可包括多于一个的主颈部9。

中间圆周板6提供有多个中间颈部10，其构造成用于将中间圆周板6上游的主容积7与中间圆周板6下游的副容积8流体地相连接。根据图1的实施例，阻尼器1包括四个中间颈部10。然而，阻尼器1也可包括多于或少于四个的中间颈部10，其沿着中间圆周板6的整个长度的一部分布置。

后圆周板5包括多个吹扫孔11，其构造成用于使吹扫空气进入副容积8中。这种吹扫空气流动经过主颈部9以便避免在阻尼器1内的热气体摄取。根据图1的实施例，阻尼器1显露两个吹扫孔11。然而，阻尼器1也可包括多于两个的吹扫孔11，其沿着后圆周板5的整个长度的一部分布置。在阻尼器1外，吹扫孔11面向外仓室（plenum）。

如所知道的那样，吹扫孔11如同将在下文描述的其它孔一样并不包括如主颈部和中间颈部10那样的突出颈部，并且仅是存在于通孔中。此外，这些孔的尺寸完全不同于颈部的尺寸。例如，孔可显露等于大约3mm的直径，而主颈部则显露等于大约30mm的直径以及中间颈部10则显露等于大约10mm的直径。

中间圆周板6还提供有多个中间泄放孔12，其构造成用于从主容积7泄放所收集的液体至副容积8。根据图1的实施例，中间泄放孔12沿着中间圆周板6的第一半部布置而中间颈部10则沿着相对的半部布置。然而，中间颈部10和中间泄放孔12二者都可沿着中间圆周板6的整个长度布置。

前圆周板4提供有多个旁通吹扫孔13，其构造成用于泄放所收集的液体到主容积7外。根据图1的实施例，旁通吹扫孔13沿着前圆周板4的整个长度布置。然而，旁通吹扫孔13也可仅沿着前圆周板4的一半布置。

参看图2，其为根据本发明的一个实施例的孔和颈部的圆周分布的示意图。

具体地，图2公开了根据本发明的一个优选实施例的中间圆周板6的上游表面上的全部孔和颈部的投影（projection）。在图2中所公开的轴线T对应于穿过筒形燃烧器的中心并且通到燃气涡轮的中心的轴线。

根据图2的实施例，中间泄放孔12和吹扫孔11布置在相应的板5、6外部。另外，旁通吹扫孔13和中间颈部10布置在相应的板4、6外部并且彼此对准。

根据这个实施例，中间颈部10仅沿着中间圆周板6的第一半部布置而中间泄放孔12则沿着同一中间圆周板6的相对的第二半部布置。吹扫孔11的投影布置在同一中间圆周板6的同一第二半部中，在其中还存在主颈部9的投影。

参看图3，其为关于燃气涡轮轴线的环形亥姆霍兹阻尼器1的圆周分布的示意图。具体地，每个阻尼器1均相对于燃气涡轮轴线布置成时钟状，以便使上述孔和颈部分布相对于穿过燃烧器筒的中心并且通到燃气涡轮的中心O的轴线T保持固定。

参看图4至图9，其为根据本发明的环形亥姆霍兹阻尼器1（也即，优选地提供有如前文所述的中间泄放孔12和旁通吹扫孔13二者）和根据现有技术的环形亥姆霍兹阻尼器之间在阻尼器的不同组件位置中的示意性比较。

具体地，图4和图5公开了阻尼器1的一个组件位置，在其中阻尼器倾斜以使收集在主容积7中的液体朝向后圆周板5流动。

根据现有技术（图5），中间圆周板6未提供有任何中间泄放孔12。因此，收集在主容积7中的液体仅可部分地穿过主颈部9流动到阻尼器外。

根据本发明（图4），中间圆周板6提供有中间泄放孔12。因此，收集在主容积7中的液体可自由地流经中间泄放孔12并且穿过泄放孔12到达阻尼器外。

具体地，图6和图7公开了阻尼器1的一个组件位置，在其中阻尼器为水平的并且正交于重力方向。

根据现有技术（图7），中间圆周板6未提供有任何中间泄放孔12。因此，收集在主容积7中的液体量多于收集在提供有吹扫孔11的副容积8中的液体量。

根据本发明（图6），中间圆周板6提供有中间泄放孔12。因此，收集在主容积7中的液体的主要部分可自由地流经中间泄放孔12并且穿过泄放孔12到达阻尼器外。

具体地，图8和图9公开了阻尼器的一个组件位置，在其中阻尼器倾斜以使收集在主容积7中的液体朝向前圆周板4流动。

根据现有技术（图9），前圆周板4未提供有旁通吹扫孔13。因此，收集在主容积7中和副容积8中的液体被完全地阻塞在阻尼器内。

根据本发明（图8），前圆周板4提供有旁通吹扫孔13。因此，收集在主容积7中的液体可自由地流经旁通吹扫孔13以及收集在副容积8中的液体可自由地穿过中间颈部10并且经由旁通吹扫孔13流出。

根据图4至图9，外壁3是直的以及内壁2包括在从主容积7至副容积8的转变处的台阶，使得内壁2和外壁3之间的距离在较高容积7处比在副容积8处更大。然而，副容积8也可相比于主容积7显露相同高度。

尽管本发明已关于其如上文所述的（多个）优选实施例进行了阐释，但应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下也可作出许多其它可能的修改和变型。因此，预料到的是，所附权利要求或权利要求书将涵盖落入本发明真实范围内的此类修改和变型。

Claims

1.一种用于燃气涡轮筒形燃烧器的环形亥姆霍兹阻尼器，所述环形亥姆霍兹阻尼器（1）具有轴线（A）并且包括：

- 内壁（2）和外壁（3），所述内壁和外壁相对于所述轴线（A）同心地布置以限定围绕筒形燃烧器（14）布置的环形阻尼容积；

- 前圆周板（4）和后圆周板（5），所述前圆周板和后圆周板用于在上游和下游关闭所述环形阻尼容积；

- 至少一个中间圆周板（6），所述中间圆周板布置在所述前板（4）和所述后板（5）之间用于将所述环形阻尼容积划分成主容积（7）和至少副容积（8）；

- 至少一个主颈部（9），所述主颈部在所述内壁（2）处通过并且构造成用于流体地连接所述主容积（7）与所述筒形燃烧器室；

- 至少一个中间颈部（10），所述中间颈部通过所述中间圆周板（6）而构造成用于流体地连接所述主容积（7）与所述副容积（8）；

- 多个吹扫孔（11），所述吹扫孔通过所述后圆周板（5）而构造成用于使吹扫空气进入所述副容积（8）中；

其特征在于

所述环形亥姆霍兹阻尼器（1）包括多个中间泄放孔（12），所述中间泄放孔通过所述中间圆周板（6）而构造成用于将所收集的液体从所述主容积（7）泄放至所述副容积（8）。

2.根据权利要求1所述的环形亥姆霍兹阻尼器，其特征在于，所述环形亥姆霍兹阻尼器包括通过所述前圆周板（4）并且构造成用于将所收集的液体泄放到所述主容积（7）外的多个旁通吹扫孔（13）。

3.根据权利要求1或2所述的环形亥姆霍兹阻尼器，其特征在于，所述中间泄放孔（12）和所述吹扫孔（11）布置在相应的中间圆周板（6）和后圆周板（5）外部。

4.根据权利要求2或3所述的环形亥姆霍兹阻尼器，其特征在于，所述环形亥姆霍兹阻尼器包括多个中间颈部（10），所述旁通吹扫孔（13）和所述中间颈部（10）布置在相应的中间圆周板（6）和前圆周板（4）外部。

5.根据权利要求4所述的环形亥姆霍兹阻尼器，其特征在于，旁通吹扫孔（13）和所述中间颈部（10）是对准的。

6.根据权利要求4或5所述的环形亥姆霍兹阻尼器，其特征在于，所述中间颈部（10）沿着所述中间圆周板（6）的第一半部布置以及所述中间泄放孔（12）沿着所述中间圆周板（6）的第二半部布置。

7.根据前述权利要求中任一项所述的环形亥姆霍兹阻尼器，其特征在于，所述外壁（3）是直的以及所述内壁（2）包括在从所述主容积（7）至所述副容积（8）的转变处的台阶，使得在所述内壁（2）和所述外壁（3）之间的距离在所述主容积（7）处相比于在所述副容积（8）处更高。

8.一种燃气涡轮，其具有轴线（O）并且包括压缩机、燃烧器和涡轮，所述燃烧器包括围绕所述燃气涡轮轴线（O）周向地布置的多个筒形燃烧器（14），每个筒形燃烧器均提供有环形亥姆霍兹阻尼器（1），每个环形亥姆霍兹阻尼器均具有轴线（A）并且包括：

其特征在于

9.根据权利要求8所述的燃气涡轮，其特征在于，所述环形亥姆霍兹阻尼器（1）包括通过所述前圆周板（4）并且构造成用于将所收集的液体泄放到所述主容积（7）外的多个旁通吹扫孔（13）。

10.根据权利要求8或9所述的燃气涡轮，其特征在于，所述中间泄放孔（12）和所述吹扫孔（11）布置在相应的中间圆周板（6）和后圆周板（5）外部。

11.根据权利要求9或10所述的燃气涡轮，其特征在于，所述燃气涡轮包括多个中间颈部（10），所述旁通吹扫孔（13）和所述中间颈部（10）布置在相应的中间圆周板（6）和前圆周板（4）外部。

12.根据权利要求11所述的燃气涡轮，其特征在于，旁通吹扫孔（13）和所述中间颈部（10）是对准的。

13.根据权利要求11或12所述的燃气涡轮，其特征在于，所述中间颈部（10）沿着所述中间圆周板（6）的第一半部布置以及所述中间泄放孔（12）沿着所述中间圆周板（6）的第二半部布置。

14.根据前述权利要求8至13中任一项所述的燃气涡轮，其特征在于，所述外壁（3）是直的以及所述内壁（2）包括在从所述主容积（7）至所述副容积（8）的转变处的台阶，使得在所述内壁（2）和所述外壁（3）之间的距离在所述主容积（7）处相比于在所述副容积（8）处更高。

15.根据前述权利要求8-14中任一项所述的燃气涡轮，其特征在于，所述环形亥姆霍兹阻尼器（1）相比于相关的筒形燃烧器（14）具有相同的长度。