CN115013838A - 用于旋流杯燃烧器的阻尼器 - Google Patents

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Abstract

燃气涡轮发动机可包括燃烧区段，燃烧区段具有燃料喷嘴、旋流器和构造成将燃料喷嘴与旋流器安装并居中的套圈。燃烧区段还可以包括燃烧区段的冷侧上的阻尼器。阻尼器可以具有声学腔、阻尼器颈部和腔馈送孔。阻尼器可以用作亥姆霍兹腔，以吸收旋流器内的区域中存在的流体动力学或声学不稳定性。

Description

用于旋流杯燃烧器的阻尼器
技术领域
本公开涉及用于发动机(例如燃气涡轮发动机)中的燃烧区段的阻尼器。更具体地，本公开涉及用于燃烧区段的旋流器中的声学和/或流体动力学不稳定性的阻尼器。
背景技术
在燃气涡轮发动机中，传统的旋流杯设计采用套圈、燃料喷嘴和旋流器。旋流器用于混合空气和燃料以进行燃烧。套圈可以允许吹扫空气通过其中。传统的燃烧器设计进一步使用罩以在燃烧器和通道之间分配流。
发明内容
根据实施例，一种燃气涡轮发动机可以包括具有冷侧和热侧的燃烧区段，其中燃烧区段的冷侧包括：燃料喷嘴；旋流器；套圈，套圈构造成将燃料喷嘴与旋流器安装并居中；以及阻尼器，阻尼器具有声学腔、阻尼器颈部和阻尼器颈部开口，其中阻尼器用作亥姆霍兹腔并且被构造为吸收存在于旋流器的内部的区域中的流体动力学或声学不稳定性。
根据实施例，一种用于抑制燃气涡轮发动机的燃烧室中的流体动力学或声学不稳定性的阻尼器可以包括：声学腔，声学腔具有容积；腔馈送孔，腔馈送孔被构造为向声学腔提供空气；以及阻尼器颈部，其中，声学腔、腔馈送孔和阻尼器颈部在套圈的本体内是一体的且形成单一个体，并且其中，声学腔、腔馈送孔和阻尼器颈部的尺寸设计为吸收燃烧室中的流体动力学或声学不稳定性的频率。
根据实施例，一种燃气涡轮发动机可以包括：燃料喷嘴，燃料喷嘴安装在套圈中；旋流器，旋流器被构造为在燃烧区段中混合空气和燃料；以及阻尼器，阻尼器与套圈是一体的且形成单一个体，其中，阻尼器的尺寸设计为吸收旋流器中的流体动力学或声学不稳定性的频率。
本公开的附加特征、优点和实施例通过考虑以下详细描述、附图和权利要求而被阐述或显而易见。此外，应当理解，本公开的上述概述和以下详细描述都是示例性的并且旨在提供进一步的解释，而不限制所要求保护的本公开的范围。
附图说明
如附图中所示，从以下更具体地对各种示例性实施例的描述，前述以及其他特征和优点将变得显而易见，其中相似的附图标记通常表示相同、功能类似和/或结构类似的元件。
图1示出了根据本公开的实施例的燃气涡轮发动机的燃烧区段的示意横截面视图。
图2A示出了根据本公开的实施例的具有通过套圈的吹扫空气通道的燃烧区段的燃料喷嘴的特写示意横截面视图。
图2B示出了根据本公开的实施例的具有围绕燃料喷嘴的吹扫空气通道的燃烧区段的燃料喷嘴的特写示意横截面视图。
图2C示出了根据本公开的实施例的阻尼器的示意图。
图3示出了根据本公开的实施例的具有带有阻尼器的套圈的燃料喷嘴的特写示意横截面视图。
图4示出了根据本公开的实施例的具有带有阻尼器的套圈的燃料喷嘴的特写示意横截面视图。
图5A示出了根据本公开的实施例的具有套圈的燃料喷嘴的示意横截面视图，该套圈具有与吹扫空气通道分离的阻尼器。
图5B示出了根据本公开的实施例的沿图5A的剖面线A-A截取的图5A的吹扫空气通道的示意横截面视图。
图5C示出了根据本公开的实施例的绕轴线A旋转并示出阻尼器腔和通道的图5A的示意横截面视图。
图5D示出了根据本公开的实施例的沿图5C的剖面线B-B截取的图5C的阻尼器腔的示意横截面视图。
图5E示出了根据本公开的实施例的围绕图5A的套圈的阻尼器颈部和吹扫空气通道的布置的示意图。
图6示出了根据本公开的实施例的具有带有两个容积的阻尼器的燃料喷嘴的特写示意横截面视图。
图7示出了根据本公开的实施例的具有带有两个容积的阻尼器的燃料喷嘴的特写示意横截面视图。
图8示出了根据本公开的实施例的具有带有两个容积的阻尼器的燃料喷嘴的特写示意横截面视图。
图9示出了根据本公开的实施例的具有带有两个容积的阻尼器的燃料喷嘴的特写示意横截面视图。
图10示出了根据本公开的实施例的具有带有一个容积的阻尼器的燃料喷嘴的特写示意横截面视图。
图11示出了根据本公开的实施例的具有带有三个容积的阻尼器的燃料喷嘴的特写示意横截面视图。
图12示出了根据本公开的实施例的吸收系数与频率的关系的图。
图13示出了根据本公开的实施例的套圈腔的阻尼效果图。
具体实施方式
下面详细讨论各种实施例。尽管讨论了特定实施例，但这仅是为了说明的目的。相关领域的技术人员将认识到，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以使用其他部件和构造。
流过传统旋流杯设计的空气可能由于通过燃烧室内的区域的流动而在该区域中产生声学或流体动力学不稳定性。这种不稳定性是自然发生的，并且可能会产生压力和速度的大波动，从而可能导致燃烧动力学。本公开提供了阻尼器以抑制由旋流器产生的这些流体动力学和/或声学不稳定性，并提供燃烧器之间的流动引导。
本公开涉及声学阻尼器，其可以围绕套圈、旋流器或套圈和旋流器两者提供声学腔。声学腔可以用作亥姆霍兹谐振器，其可以阻尼燃烧室内的流体动力学和/或声学不稳定性的频率。声学腔的尺寸可以设定为针对流体动力学和/或声学不稳定性的特定频率。基于燃烧器内的期望阻尼和期望流动条件，阻尼器可以包括多于一个声学腔(例如，多室、多容积或多腔阻尼器)。在提供多腔阻尼器的情况下，阻尼器可以用作流动调节装置以及声学阻尼器。本公开可提供与流体动力学和/或声学不稳定性源直接相互作用以减少或消除不稳定性(例如，直接与导致不稳定性的流动中的振动相互作用)的阻尼。
本公开提供了用于抑制来自旋流器的流体动力学和/或声学不稳定性的系统和方法，用于通过采用围绕旋流器的阻尼器来降低流动动力学。本公开通过将声学腔引入到燃烧区段来减轻燃烧动力学。在一些示例中，阻尼器可以是围绕旋流器的多腔阻尼器以及嵌入在套圈中的腔。围绕旋流器的腔的形状可以具有空气动力学形状，除了用作阻尼器之外，其还可以用作流动调节装置以引导流动。
图1示出了发动机(例如燃气涡轮发动机)的燃烧区段10的示意横截面视图。燃烧区段10可以包括燃烧器12，燃烧器12生成排放到发动机的涡轮区段(未示出)中的燃烧气体。
燃烧器12可以包括燃烧室14，燃烧室14可由外衬16、内衬18以及包括外罩26和内罩28的罩20限定。另外，扩散器22可以定位在燃烧室14的上游。扩散器22可以接收来自发动机的压缩机区段(未示出)的气流，并且可以将压缩空气流提供给燃烧器12。扩散器22可以向旋流器24的罩20提供压缩空气流。罩20可以在燃烧器12和围绕旋流器24的套圈(未示出)内的通道之间空气动力学地分配流动。
继续参考图1，燃料喷嘴(图2A和2B，56)可以根据燃烧器12在各种发动机操作状态下的期望性能向旋流器24提供燃料。罩20(例如，外环形罩26和内环形罩28)可以位于燃烧室14的上游，以便将空气流引导到旋流器24中。罩20还可以将来自扩散器22的空气流的一部分引导至限定在外衬16与外壳32之间的外通道30和限定在内衬18与内壳36之间的内通道34。内支撑锥体38可以通过例如多个螺栓42和螺母44连接到喷嘴支撑件40。可以设想其他合适的结构构造。
仍然参考图1，提供了点火器46以点燃供应到燃烧室14的燃料/空气混合物。点火器46可以以基本固定的方式附接到燃烧器12的外壳32。此外，点火器46可以大致沿轴向方向A延伸，限定远端48，远端48定位成靠近燃烧室14的燃烧器构件中的开口。远端48可以定位成靠近由燃烧器12的外衬16限定的通向燃烧室14的开口50。不同的材料可以形成燃烧器12的外衬16和燃烧器12的外壳32，点火器46的远端48可能需要相对于燃烧器12的外衬16是可移动的。因此，可以提供安装组件52以将点火器46安装到燃烧器80的外衬16。
参考图2A和2B，设想了示例性吹扫空气构造。
在图2A中，如燃烧区段10的特写示意横截面视图所示，吹扫空气可以被提供通过套圈54。燃烧区段10可包括燃料喷嘴56和旋流器58。燃料喷嘴56可以通过套圈54在旋流器58中居中。套圈54可用于安装燃料喷嘴56并可与旋流器58接合。套圈54可以包括一个或多个吹扫空气通道60。一个或多个吹扫空气通道60可允许空气通过其中并进入燃烧室14。
在图2B中，如燃烧区段10的特写示意横截面视图所示，吹扫空气可以不提供通过套圈54b而是提供通过燃料喷嘴56。燃烧区段10可以类似于图2A的燃烧区段10并且可以包括燃料喷嘴56，燃料喷嘴56通过套圈54b安装并居中在旋流器58中。在图2B的示例中，吹扫空气通道62可以围绕燃料喷嘴56延伸，使得吹扫空气通道62在燃料喷嘴56的外表面和套圈54b的内表面之间延伸。吹扫空气通道62可以允许空气通过其中并进入燃烧室14。
流过图2A和2B的旋流器58的空气可能由于通过燃烧室14内的区域64的流动而在区域64中产成声学和/或流体动力学不稳定性。这种不稳定性基于通过旋流器的尺寸和流动在一个或多个特定频率处自然发生。流体动力学和/或声学不稳定性可能产生压力和速度的波动，这可能导致燃烧动力学。为了减少或消除区域64中的流体动力学和/或声学不稳定性(并因此消除或减少压力和速度的波动)，可以在燃烧区段10内设置阻尼器。阻尼器的尺寸和设计可以精确匹配或紧密匹配流体动力学不稳定性的频率，以抑制、减少和/或消除区域64中的流体动力学不稳定性。也就是说，阻尼器可以针对燃烧室14内的不稳定性的特定频率，并且可以被设计为抵消该特定频率。
图2C描绘了阻尼器66的示意图。阻尼器66可以作为亥姆霍兹腔操作。阻尼器66可以包括具有容积V的腔68。阻尼器66可以包括可允许吹扫空气P流入腔68的开口70。阻尼器66可以包括腔68和颈部开口74之间的颈部72。颈部开口74可以具有横截面面积S并且颈部72可以具有长度L'。阻尼器66可以阻尼的频率可用等式1计算，其中c是声速，S是颈部开口74的横截面面积，V是腔68的容积，并且L'是颈部72的长度。在包括多个颈部开口74的示例中，面积S可以是颈部开口74的所有横截面面积的总和。示例性阻尼器在图3-11中示出。
Figure BDA0003524021860000051
图3示出了具有带有示例性阻尼器166的套圈154的燃料喷嘴56的特写示意横截面视图。阻尼器166可以在套圈154中。套圈154可以被构造为包括阻尼器166。阻尼器166可以与套圈154一体地且形成单一个体地形成，使得声学腔168布置和/或形成在套圈154的本体内。即，阻尼器166可以采用套圈154内的声学腔168的形式。套圈154的形状可以是环形的。套圈154可以围绕燃料喷嘴56的外周定位。声学腔168可以是环形形状。可以选择声学腔168的容积V以针对流体动力学和/或声学不稳定性的特定频率。
阻尼器166可以包括允许流入和流出声学腔168的通道或开口。每个方面都可以根据所需的流动和阻尼性能进行设计。例如，阻尼器166可包括吹扫通道、通向声学腔的入口开口和/或通向声学腔的出口开口。在一些示例中，通道和/或开口可以组合成单个通道和/或开口。即，例如在图3中，声学腔出口和吹扫通道出口都可以通过开口174实现，并且声学腔入口和吹扫通道入口都可以通过开口170实现。
如图3所示，阻尼器166可包括开口170。开口170可以是从燃烧区段的上游向腔168提供空气的腔馈送孔。开口170可以允许空气通过套圈154并进入燃烧室14。开口170的横截面可以是圆形的。开口170可以位于或放置在旋流器24上游的套圈154的任何表面上。
尽管示出了两个开口170，但可以提供更多或更少的开口。在提供多个开口170的情况下，它们可以围绕套圈154周向间隔开。开口170的间距可以是均匀的或随机的。开口170的数量、形状、位置、尺寸、间距或其任何组合可以基于流体动力学不稳定性的目标频率、基于通过套圈154的期望吹扫空气流，或基于流体动力学不稳定性的目标频率和通过套圈154的期望吹扫空气流两者来选择。
如图3进一步所示，阻尼器可包括颈部172和颈部开口174。颈部172可用作阻尼器颈部、用作吹扫空气的通道(例如，允许空气从开口170流过声学腔168和颈部172，并流出颈部开口174)，或用作阻尼器颈部和吹扫空气的通道两者。颈部172和颈部开口174的横截面可以是圆形的。颈部172可以相对于通过燃料喷嘴56的中心轴线A以各种角度定位。
尽管示出了具有颈部开口174的两个颈部172，但可以提供更多或更少的颈部(例如，见图5D，示出了多个颈部和开口可以如何存在于套圈周围)。在提供具有颈部开口174的多个颈部172的情况下，它们可以围绕套圈154周向间隔开。具有颈部开口174的颈部172的间距可以是均匀的或随机的。颈部172的数量、形状、位置、尺寸、间距、角度或其任何组合和颈部开口174的数量、形状、位置、尺寸、间距、角度或其任何组合可以基于流体动力学不稳定性的目标频率、基于通过套圈154的期望吹扫空气流，或基于流体动力学不稳定性的目标频率和通过套圈154的期望吹扫空气流两者来选择。
因此，继续参考图3并且在操作期间，允许空气通过开口170流入声学腔168，通过颈部172并离开颈部开口174进入旋流器24。离开旋流器24的空气在区域64中产生高压力和速度波动，并导致流体动力学和/或声学不稳定性。然而，阻尼器166用作亥姆霍兹腔。也就是说，进入开口170的空气在声学腔168内谐振或振动。声学腔168内的空气的振动频率与区域64中存在的不稳定性频率完全相同或接近相同。这导致声学腔168阻尼或吸收声学或流体动力学不稳定性的能量。如所提到的，等式1的变量可以被操纵(例如，通过阻尼器166的设计)以精确匹配或紧密匹配区域64中存在的频率。这可以允许优化用于特定燃料喷嘴和/或旋流器的阻尼器。
参考图4，图3的阻尼器166可应用于具有围绕燃料喷嘴56(例如，图2B的系统)，而不是通过套圈(例如，图2A的系统)的吹扫空气通道的系统。因此，阻尼器266的结构、设计和操作可以与关于图3讨论的相同。在图4中，阻尼器266可以被设计成使得开口270不允许通过流或允许非常少量的泄漏流。这是由于吹扫空气流绕过燃料喷嘴56而不必通过套圈254。因此，可以调整开口270的尺寸以微调区域64中的不稳定性频率的阻尼。因此，在图3中，颈部172既用作阻尼器颈部又用作吹扫空气通道，而在图4中，颈部272主要用作阻尼器颈部。
图5A-5E示出了具有带有与吹扫空气通道分离的阻尼器的套圈的燃料喷嘴的示意图。特别地，图5A示出了燃料喷嘴的示意横截面视图。图5B示出了沿图5A的剖面线A-A截取的图5A的吹扫空气通道的示意横截面视图。图5C示出了绕轴线A旋转的图5A的示意横截面视图，并且示出了具有相关联阻尼器通道的阻尼器腔。图5D示出了沿图5C的剖面线B-B截取的图5C的阻尼器腔的示意横截面视图。图5E示出了环形地围绕图5A的套圈的阻尼器颈部和吹扫空气通道的布置的示意图。
参考图5A-5E，示出了具有带有阻尼器266的套圈254的燃料喷嘴56的示意图。阻尼器266可以在套圈254中。阻尼器266可以与套圈254一体地且形成单一个体地形成。即，阻尼器266可以采取套圈254内的声学腔268的形式。套圈254的形状可以是环形的并且围绕燃料喷嘴56的外周定位。套圈254可以包括吹扫空气通道276。声学腔268和吹扫空气通道276的形状可以是环形的并且围绕燃料喷嘴56的外周定位。如图5A和5C所示，声学腔268和吹扫空气通道276可以不相交并且可以是分开的。即，声学腔268和吹扫空气通道276之间可能没有流体连通。
继续参考图5A和5B，吹扫空气通道276可以在开口270和开口278之间延伸。空气可以通过吹扫空气通道276从开口270流到开口278并进入旋流器24。开口270的横截面可以是圆形的。吹扫空气通道276和开口270、278的尺寸可以针对通过其中的期望空气流设定。可以提供一个或多个开口270、278。例如，如图5B中沿剖面线A-A截取的通过吹扫空气通道276的剖面图所示，四个开口270被示为连接到单个通道276，单个通道276连接到八个开口278。尽管开口270的数量不等于开口274的数量，但是可以设想这些数量可以相等。可以提供任何数量的开口以实现通过其中的期望量的空气流。开口270、278的间距可以是均匀的或随机的。开口270、278的数量、形状、位置、尺寸、间距或其任何组合可以基于通过套圈254的期望吹扫空气流来选择。
参考图5C和5D，阻尼器266可以包括颈部272、颈部开口274、声学腔268和阻尼器馈送孔280。可以选择声学腔268的容积V以针对流体动力学和/或声学不稳定性的特定频率。颈部272可以用作阻尼器颈部。颈部272和颈部开口274的横截面可以是圆形的。颈部272可以相对于通过燃料喷嘴56的中心轴线以各种角度定位。阻尼器馈送孔280可以允许一定量的空气从燃烧区段的上游进入声学腔268，以实现阻尼器266的阻尼功能。阻尼器馈送孔280的大小或尺寸不需要设计成允许吹扫空气流动，因为该功能是通过单独的吹扫空气通道276实现的。可以提供一个或多个开口280、274。例如，如图5D中沿剖面线B-B截取的通过阻尼器266的剖面图所示，四个开口280被示出为连接到单个环形声学腔268，环形声学腔268连接到八个开口274。尽管开口280的数量不等于开口274的数量，但是可以设想这些数量可以相等。可以提供任何数量的开口来实现目标频率的阻尼。开口280、274的间距可以是均匀的或随机的。开口280、274和/或颈部272的数量、形状、位置、尺寸、间距、角度或其任何组合可以基于流体动力学不稳定性的目标频率来选择。
图5E示出了套圈254的阻尼器通道(例如，颈部272)和吹扫空气通道276在它们围绕套圈254的圆周放置时的示意图。如图所示，颈部272与吹扫空气通道276交错并间隔开。因此，吹扫空气通道276和阻尼器266不相交并且彼此不流体连通。吹扫空气通道276和阻尼器颈部272可以交替并且可以以某种图案呈现，以实现期望的流动特性和阻尼能力。
因此，参考图5A-5E，在操作期间，空气被允许流过吹扫空气通道276中的开口270，并且空气也被允许流过开口280并进入声学腔268。离开进入旋流器24的空气在区域64中产生高压力和速度波动，并导致流体动力学和/或声学不稳定性。然而，阻尼器266用作亥姆霍兹腔。也就是说，进入腔268的空气在声学腔268内谐振或振动。声学腔268内的空气的振动频率与区域64中存在的不稳定性频率完全相同或接近相同。这导致声学腔268阻尼或吸收声学和/或流体动力学不稳定性的能量。如所提到的，等式1的变量可以被操纵(例如，通过阻尼器266的设计)，以精确匹配或紧密匹配区域64中存在的频率。这可以允许优化用于特定燃料喷嘴和/或旋流器的阻尼器。
图6示出了具有套圈54和阻尼器366的燃料喷嘴56的特写示意横截面视图。阻尼器366可以是与套圈54分开的部件，或者可以与套圈54一体地且形成单一个体地形成。如关于图2A所述，套圈54可以允许吹扫空气通过通道60。阻尼器366可以是与旋流器24分开的部件，或者可以与旋流器24一体地且形成单一个体地形成。阻尼器366的形状可以是环形的并且围绕旋流器24的外周定位。阻尼器366可以包括第一声学腔368a和第二声学腔368b。第一声学腔368a可以包括第一阻尼器馈送孔380a(接收来自燃烧区段上游的空气)、第一颈部372a和第一颈部开口(类似于图5E，由于第一颈部开口从第一阻尼器馈送孔380a周向偏移，因此第一颈部开口在图6的视图中不可见，第一颈部开口可以与本文描述的其他颈部开口类似或相同，并且可以通向旋流器24的内部)。第二声学腔368b可以包括第二阻尼器馈送孔380b(接收来自燃烧区段上游的空气)、第二颈部372b和第二颈部开口(类似于图5E，由于第二颈部开口从第二阻尼器馈送孔380b周向偏移，因此第二颈部开口在图6的视图中不可见)。第一声学腔368a可以具有容积V1并且第二声学腔368b可以具有容积V2。第一声学腔368a和第二声学腔368b可以各自是环形的。如本文所讨论的，容积V1和V2可以被定制和设计成实现特定的谐振和阻尼能力。
尽管示出了单个开口380a和单个开口380b，但可以提供各自的多个开口。在提供多个开口380a、380b的情况下，它们可以围绕阻尼器366周向间隔开。开口380a、380b的间距可以是均匀的或随机的。开口380a、380b的数量、形状、位置、尺寸、间距或其任何组合可以基于区域64中的流体动力学不稳定性的目标频率来选择。
再次参考图6，颈部372a、372b可以各自用作阻尼器颈部。颈部372a、372b和颈部开口(不可见，通向旋流器24的内部)的横截面可以是圆形的。颈部372a、372b可以相对于通过燃料喷嘴56的中心轴线以各种角度定位。尽管示出了单个颈部372a、372b，但是可以为每个声学腔368a、368b提供多个颈部(例如，见图5D，示出了多个颈部和开口可以如何存在于套圈周围)。在提供具有颈部开口的多个颈部372a、372b的情况下，它们可以围绕阻尼器366周向间隔开。颈部372a、372b的间距可以是均匀的或随机的。颈部372a、372b的数量、形状、位置、尺寸、间距、角度或其任何组合和颈部开口的数量、形状、位置、尺寸、间距、角度或其任何组合可以基于流体动力学不稳定性的目标频率来选择。
因此，继续参考图6并且在操作期间，允许空气通过开口380a、380b流入相应的声学腔368a、368b，通过相应的颈部372a、372b并离开颈部开口进入旋流器24。离开旋流器24的空气在区域64中产生高压力和速度波动，并导致流体动力学或声学不稳定性。然而，阻尼器366的每个声学腔368a、368b用作亥姆霍兹腔。也就是说，进入开口380a、380b的空气在相应的声学腔368a、368b内谐振或振动。声学腔368a、368b内的空气的振动频率可以与区域64中存在的不稳定性频率完全相同或接近相同。在一些情况下，区域64中的不稳定性频率可能在多个频率下出现。在这种情况下，声学腔368a、368b中的每一个可以单独设计以吸收不同的频率。可选择每个容积V1和V2以针对流体动力学或声学不稳定性的特定频率。如本文所讨论的，也可以修改颈部长度和颈部开口面积以实现目标频率。对于声学腔368a和368b中的每一个，目标频率可以不同。这可以允许通过允许在区域64中经历的多个频率被阻尼器366阻尼或吸收来优化系统。这导致声学腔368a在第一频率处阻尼或吸收声学或流体动力学不稳定性的能量，而声学腔368b在第二频率处阻尼或吸收声学或流体动力学不稳定性的能量。第一频率可以不同于第二频率。如所提到的，等式1的变量可以被操纵(例如，通过阻尼器366和相应声学腔368a、368b的设计)以精确匹配或紧密匹配区域64中存在的一个或多个频率。这可以允许优化用于特定燃料喷嘴和/或旋流器的阻尼器。
腔368a可以与旋流器24的初级旋流器相关联，腔368b可以与旋流器24的次级旋流器相关联。因此，颈部372a可以与旋流器24的初级旋流器轮叶相关联，并且可以用作第一亥姆霍兹谐振器(例如，腔368a)的颈部。颈部372b可以与旋流器24的次级旋流器轮叶相关联，并且可以用作第二亥姆霍兹谐振器(例如，腔368b)的颈部。
图7示出了具有套圈54和阻尼器466的燃料喷嘴56的特写示意横截面视图。阻尼器466可以是与套圈54和旋流器24分开的部件，或者可以与套圈54和旋流器24是一体的且形成单一个体。阻尼器466的形状可以是环形的并且围绕套圈54和旋流器24的外周定位。阻尼器466可以包括布置成与套圈54流体连通的第一声学腔468a和布置成与旋流器24的初级轮叶490流体连通的第二声学腔468b。
第一声学腔468a可以包括开口470、第一颈部472a和第一颈部开口474a。与图3的阻尼器166类似，第一声学腔468a可以作为阻尼器和吹扫流动通道操作。因此，如本文所讨论的，第一声学腔468a、开口470、第一颈部472a和第一颈部开口474a可以被设计成实现期望的吹扫流动、期望的频率阻尼或两者。因此可以改变与先前示例一起讨论的任何前述变量以实现期望的流动和/或阻尼。
第二声学腔468b可以包括阻尼器馈送孔480、第二颈部472b和第二颈部开口(不可见)。第二声学腔468b可以布置在初级旋流器轮叶490周围。因此，如关于图6所讨论的，声学腔468b可以主要用作区域64中的频率的阻尼器。声学腔468b可以具有多于一个的阻尼器馈送孔480。尽管示出了两个阻尼器馈送孔480，但可以提供更多或更少的阻尼器馈送孔。馈送孔480的位置可以基于期望的阻尼而改变。第一声学腔468a可以具有容积V1，并且第二声学腔468b可以具有容积V2。第一声学腔468a和第二声学腔468b可以各自是环形的。
如前所述，虽然示出了单个开口470和两个开口480，但可以提供更多或更少的开口。在提供多个开口的情况下，它们可以围绕套圈阻尼器466周向间隔开。开口的间距可以是均匀的或随机的。开口的数量、形状、位置、尺寸、间距或其任何组合可以基于区域64中的流体动力学不稳定性的目标频率和/或通过腔的目标流率(例如，对于通过第一腔468a的吹扫空气流)来选择。颈部472a、472b可以如本文先前描述的那样起作用。颈部的设计可以如先前讨论的，并且可以以本文公开的任何方式变化，以实现期望的吹扫流动、期望的声学阻尼和吸收，或期望的吹扫流动以及期望的阻尼和吸收两者。
因此，继续参考图7并且在操作期间，允许空气通过开口470和480从燃烧区段的上游流入相应的声学腔468a、468b、通过相应的颈部472a、472b并离开颈部开口进入旋流器24。离开旋流器24的空气在区域64中产生高压力和速度波动，并导致流体动力学或声学不稳定性。然而，阻尼器466的声学腔468a、468b中的每一个用作亥姆霍兹腔。也就是说，进入开口470和480的空气在相应的声学腔468a、468b内谐振或振动。声学腔468a、468b内的空气的振动频率可以与区域64中存在的不稳定性频率完全相同或接近相同。在一些情况下，区域64中的不稳定性频率可能在多个频率处出现。在这种情况下，声学腔368a、368b中的每一个可以单独设计以吸收不同的频率。可以选择每个容积V1和V2以针对流体动力学或声学不稳定性的特定频率。对于声学腔468a和468b中的每一个，目标频率可以不同。这可以允许通过允许在区域64中经历的多个频率被阻尼器466阻尼或吸收来优化系统。这导致声学腔468a在第一频率处阻尼或吸收声学或流体动力学不稳定性的能量，而声学腔468b在第二频率处阻尼或吸收声学或流体动力学不稳定性的能量。第一频率可以不同于第二频率。如所提到的，等式1的变量可以被操纵(例如，通过阻尼器466和相应声学腔468a、468b的设计)以精确匹配或紧密匹配区域64中存在的一个或多个频率。这可以允许优化用于特定燃料喷嘴和/或旋流器的阻尼器。此外，第一声学腔468a还可以用作吹扫空气通道。容积和开口可以设计成实现通过旋流器24的特定流动，以阻尼区域64中的流体动力学和/或声学不稳定性。
此外，阻尼器466的外表面492可以用作流动调节表面，用于在外表面492周围流动的旁通流494。罩(例如，图2A中的26)可以类似地被省略，并且替代地可以提供集成的圆顶(dome)和衬里496。集成的圆顶和衬里496可以由CMC形成。集成的圆顶和衬里496可以是单个、一体且形成单一个体的部件。外表面492可以在燃烧器(例如，流动箭头494)和通道(例如，流动箭头495)之间空气动力学地分配空气流。
参考图8，示出了类似于图6的阻尼器366的阻尼器566。因此，阻尼器566的特征和功能可以与阻尼器366相同或类似。类似于阻尼器366，阻尼器566可以包括第一声学腔568a和第二声学腔568b。阻尼器566可以包括初级轮叶中的第一颈部572a和次级轮叶中的第二颈部572b。阻尼器566可以包括第一开口580a和第二开口580b。然而，与阻尼器366不同的是，阻尼器566形成有外表面592，外表面592可以用作流动调节表面。此外，可以省略罩并且可以提供集成的圆顶和衬里596。集成的圆顶和衬里596可以由CMC形成。集成的圆顶和衬里596可以是单个、一体且形成单一个体的部件。外表面592以与罩(例如，图1中的罩20)相同的方式操作，以在集成的圆顶和衬里596上引导空气流。阻尼器566的阻尼功能可以如关于先前示例所描述的。
参考图9，示出了类似于图7的阻尼器466的阻尼器666。因此，阻尼器666的特征和功能可以与阻尼器466相同或类似。类似于阻尼器466，阻尼器666可以包括第一声学腔668a和第二声学腔668b。阻尼器666还可以包括外表面692，外表面692可以用作流动调节表面，以在集成的圆顶和衬里696上引导空气流。集成的圆顶和衬里696可以由CMC形成并且可以是单个、一体且形成单一个体的部件。然而，与阻尼器466不同的是，第二声学腔668b设置有两个颈部672和673。第一颈部672可以与旋流器24的初级旋流器上的初级轮叶690对准。第二颈部673可以与旋流器24的次级旋流器上的次级轮叶691对准。因此，第二腔668b可以作为单个容积围绕旋流器24延伸，而第一腔668a可以作为单个容积围绕套圈54延伸。腔668a和668b可以是单独形成的单独腔，并且联接在一起和/或分别联接到套圈和旋流器。替代地，腔668a和668b可以形成单一个体地形成在单个部件中。如前所述，由于视图的取向，从腔到旋流器内部的开口在图9中不可见。如在先前的示例中，可以通过调整其中的变量来优化容积以用于流动和阻尼能力。
因此，在图9中，第一声学腔668a可以形成套圈阻尼器，并且声学腔668b可以形成旋流器阻尼器。每个腔用作如本文先前描述的亥姆霍兹腔，并且在声学腔668b的情况下，亥姆霍兹腔设置有两个颈部。如前所述，这种多腔旋流器阻尼器可以针对区域64中的多个不稳定性频率。
参考图10，示出了类似于图9的阻尼器666的阻尼器766。因此，阻尼器766的特征和功能可以与阻尼器666相同或类似。然而，在图10中，提供了单个腔768。腔768可以不与图9中的套圈54流体联接。腔768可以与图9的腔668b相同或类似，并且可以包括如前所述围绕旋流器24定位的两个颈部。套圈54可以是例如关于图2所描述的套圈并且可以允许吹扫空气流通过其中。阻尼器766还可以包括外表面792，外表面792可以用作流动调节表面，以在集成的圆顶和衬里796上引导空气流。集成的圆顶和衬里796可以由CMC形成，并且可以是单个、一体且形成单一个体的部件。如在先前示例中，声学腔768的容积V、颈部长度和/或颈部开口面积可以通过调整其中的变量来优化流动和阻尼能力。因此，在图10中，腔768可以针对区域64内的单一不稳定性频率。
参考图11，示出了类似于图9的阻尼器666的阻尼器866。因此，阻尼器866的特征和功能可以与阻尼器666相同或类似。然而，在图11中，提供了两个单独的腔868b和868c，而不是提供在旋流器的初级轮叶和次级轮叶上延伸的单个腔668b。第一声学腔868a可以围绕套圈54布置并且可以具有颈部872a。第一声学腔868a可以用作吹扫空气流动通道和亥姆霍兹腔，以提供区域64中的不稳定性的阻尼。第二声学腔868b可以围绕初级旋流器轮叶890布置并且可以包括颈部872b。第三声学腔868c可以围绕次级旋流器轮叶891布置并且可以包括颈部872c。第二声学腔868b和第三声学腔868c可以主要用作区域64中的频率的阻尼器。套圈54可以是例如关于图2所描述的套圈，并且可以允许通过其中的吹扫空气流(例如，从第一腔868a)。阻尼器866还可以包括外表面892，外表面892可以用作流动调节表面，以在集成的圆顶和衬里896上引导空气流。集成的圆顶和衬里896可以由CMC形成并且可以是单个、一体且形成单一个体的部件。如在先前示例中，声学腔的容积V1、V2和V3，颈部长度和/或颈部开口面积可以通过调整形状和/或尺寸来优化流动和阻尼能力。因此，在图11中，腔868a、868b和868c可以针对区域64内的三个不稳定性频率。
如本文所述，开口(例如，腔馈送开口)、颈部、颈部开口和声学腔的容积可以是影响通过阻尼器的吹扫空气流以及阻尼器是有效的频率的变量。可以单独或组合地改变任何变量以实现目标频率的期望吸收。改变可以是大小或尺寸(例如，直径、长度或容积)、开口的数量、沿阻尼器的放置、角度等。因此，例如，可以简单地通过改变声学腔的容积来优化阻尼器。或者，例如，可以改变容积以及颈部开口的总面积。
阻尼器设计的流体动力学不稳定性的目标频率越接近，吸收系数越高。较高的吸收系数导致目标频率的较高吸收。图12中示出了示出这种效果的示例性图，其中吸收系数与频率(以赫兹为单位)的关系被标会出。该图可以示出套圈腔阻尼器的吸收系数。尽管关于套圈腔阻尼器进行了描述，但对于本文描述的其他阻尼器，可能存在类似的表。在图12中，阻尼器已针对预定或目标频率进行了优化。因此，随着频率接近目标频率(示出为曲线沿x轴移动)，阻尼器的吸收系数接近1(示出为曲线沿y轴移动)，这可以导致完全或接近完全吸收流体动力学不稳定性的目标频率。
参考图13，示出了示出套圈腔阻尼器的阻尼有效性的图。尽管关于套圈腔阻尼器进行了描述，但对于本文描述的其他阻尼器可以存在类似的图。如图中所示，对于目标频率“频率1”，具有本公开的阻尼器的系统与没有阻尼器的系统的压力比在目标频率处接近0。如图所示，对于目标频率“频率2”，具有阻尼器的系统与没有阻尼器的系统的压力比在目标频率处接近0。这代表了本公开的阻尼器的阻尼能力的有效性。如本文所讨论的，阻尼器可以被成形为、尺寸定为或以其他方式设计为在“频率1”和“频率2”处或“频率1”和“频率2”附近谐振。目标频率可以单独通过改变声学腔的容积、颈部长度、颈部开口面积，或通过改变颈部长度、颈部开口面积和腔容积的任意组合来调整。
本公开的声学阻尼器可以包括开口(例如，腔馈送孔)，以允许吹扫空气从燃烧室的上游通过声学腔。该腔馈送孔可以被设计成计量进入声学腔的流动。可以基于通过声学腔的期望量的吹扫空气流来确定腔馈送孔的尺寸和定位。可以选择开口的数量以实现通过声学腔的目标流动。在一些示例中，允许吹扫流的开口也可以用作阻尼器馈送孔。
本公开的声学阻尼器可以设置在燃烧区段10的冷侧(例如，在燃料点燃之前)，使得不存在吸入热气的风险。本公开的声学阻尼器可以形成为与套圈和/或旋流器分开的部分。本公开的声学阻尼器可以形成在套圈内。本公开的声学阻尼器可以形成为可更换和/或互换，使得可以移除阻尼器以进行维护或修理和/或可以移除、更换或互换阻尼器，以允许针对流体动力学不稳定性的特定频率(例如，以允许不同频率或流动的可调性)。
根据本公开的实施例，声学阻尼器可以设置在套圈内，设置在围绕旋流器或旋流器的一部分、围绕套圈或套圈的一部分、或围绕旋流器和套圈两者或围绕其任何部分定位的部件内。可以在围绕套圈和/或旋流器以任何布置提供任何数量的腔。尽管示出了一个腔、两个腔和三个腔的示例，但是可以提供更多腔。所提供的腔的数量可以对应于旋流器内的区域中的不稳定性所表现出的不同频率的数量。尽管未示出，但可以设想绕套圈和旋流器的腔的其他布置。例如，第一声学腔与套圈一起布置，并且第二声学腔与次级旋流器轮叶一起布置的阻尼器。可以选择腔的位置和数量以实现期望的阻尼效果。
因此，本公开的优点可包括提供可用作声学阻尼器以及流动调节表面的多容积阻尼器，提供可以直接与不稳定性源相互作用并且因此为流体动力学和/或声学不稳定性提供有效的解决方案的阻尼器，提供位于燃烧区段的冷侧上以避免吸入热气的风险的阻尼器，以及提供易于更换零件(例如，带有腔的套圈)以用于不同频率或流动的维护和可调谐性。本公开允许抑制不稳定性而不必改变其他燃烧器设计，例如燃料喷嘴和旋流器。
本公开的阻尼器提供用于抑制来自旋流器的流体动力学和声学不稳定性以降低流动动力学的系统和方法。这可以通过采用围绕旋流器的多腔阻尼器以及嵌入套圈中的腔来实现。旋流器周围的能力形状也可以具有空气动力学形状，可以用作流动调节装置以及声学阻尼器。
传统的旋流杯设计采用套圈、燃料喷嘴和旋流器，其中套圈用于安装燃料喷嘴和与旋流器接合，并且还可以增加吹扫流。旋流器可以产生流体动力学不稳定性，这可以产生可导致燃烧动力学的压力和速度的大波动。本公开的阻尼器提出了围绕旋流器以及套圈的声学腔，使得所得亥姆霍兹谐振器可以在目标流体动力学不稳定性频率处添加阻尼。
传统的燃烧器设计可以使用罩以在燃烧器和通道之间空气动力学地分配流动。在本公开中，多室声学腔的外表面用作流动调节装置以及声学阻尼器。
多腔旋流器阻尼器可以容纳嵌入在套圈上的声学腔、具有专用或公共腔的初级旋流器和具有专用或公共腔的次级旋流器。每个腔和颈部组合的尺寸可以根据所需的流动和阻尼性能来设计。
本公开的阻尼器可以通过引入声学腔来抑制旋流杯中的流体动力学和/或声学不稳定性并减轻燃烧动力学。本公开的阻尼器可以在不使用罩结构的情况下提供流动调节表面。
本公开的多容积阻尼器可以直接与不稳定性的表面相互作用，并且因此是流体动力学和/或声学不稳定性的有效解决方案。阻尼器可以位于冷侧上，不会有吸入热气的风险。阻尼器可以是易于更换的零件(带有腔的套圈)，用于不同频率或流动的维护和可调谐性。声学强制响应分析(例如，图12和13)可以证明位于流体动力学不稳定性的表面附近的腔的有效性。如果没有本公开的阻尼器，将不得不改变其他燃烧器设计(例如燃料喷嘴和旋流器)，并且迭代直到达到令人满意的燃烧动力学水平。
本公开的进一步方面由以下条项的主题提供。
1.一种燃气涡轮发动机，包括：燃烧区段，所述燃烧区段具有冷侧和热侧，其中所述燃烧区段的所述冷侧包括：燃料喷嘴；旋流器；套圈，所述套圈被构造为将所述燃料喷嘴与所述旋流器安装并居中；以及阻尼器，所述阻尼器具有声学腔、阻尼器颈部和阻尼器颈部开口，其中所述阻尼器用作亥姆霍兹腔并且被构造为吸收存在于所述旋流器的内部的区域中的流体动力学或声学不稳定性。
2.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述阻尼器的横截面是环形的。
3.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述阻尼器与所述套圈是一体的且形成单一个体，使得所述声学腔在所述套圈的本体内。
4.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述声学腔进一步用作吹扫空气通道。
5.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述声学腔与所述套圈中的吹扫空气通道分离，并且不与其流体连通。
6.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述流体动力学或声学不稳定性发生在第一频率处，并且其中所述阻尼器被构造为基于所述阻尼器颈部开口的面积、所述阻尼器颈部的长度、所述声学腔的容积或其任何组合在所述第一频率处谐振。
7.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述阻尼器在所述第一频率处具有约为1的高吸收系数。
8.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，进一步包括集成的圆顶和衬里。
9.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述阻尼器的外表面用作流动调节表面，所述流动调节表面被构造为将空气流引导到所述燃烧区段中。
10.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述声学腔是具有多于一个容积的多容积声学腔，并且其中所述多于一个容积中的每一个容积被构造为在相同频率或不同频率处谐振。
11.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述声学腔是第一声学腔和第二声学腔，所述第一声学腔围绕所述旋流器的初级轮叶布置，并且所述第二声学腔围绕所述旋流器的次级轮叶布置。
12.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述声学腔是第一声学腔和第二声学腔，所述第一声学腔围绕所述套圈布置，并且所述第二声学腔围绕所述旋流器的初级轮叶布置。
13.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述声学腔是第一声学腔和第二声学腔，所述第一声学腔围绕所述套圈布置，并且所述第二声学腔围绕所述旋流器的初级轮叶和次级轮叶布置。
14.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述声学腔围绕所述旋流器的初级轮叶和次级轮叶布置，并且其中，所述阻尼器颈部是所述初级轮叶处的第一阻尼器颈部和所述次级轮叶处的第二阻尼器颈部。
15.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述声学腔是第一声学腔、第二声学腔和第三声学腔，所述第一声学腔围绕所述套圈布置，所述第二声学腔围绕所述套圈的初级轮叶布置，并且所述第三声学腔围绕所述旋流器的次级轮叶布置。
16.一种用于抑制燃气涡轮发动机的燃烧室中的流体动力学或声学不稳定性的阻尼器，所述阻尼器包括：声学腔，所述声学腔具有容积；腔馈送孔，所述腔馈送孔被构造为向所述声学腔提供空气；以及阻尼器颈部，其中，所述声学腔、所述腔馈送孔和所述阻尼器颈部在套圈的本体内是一体的且形成单一个体，并且其中，所述声学腔、所述腔馈送孔和所述阻尼器颈部的尺寸设计为吸收所述燃烧室中的流体动力学或声学不稳定性的频率。
17.根据任何前述条项所述的阻尼器，其中所述声学腔、所述腔馈送孔和所述阻尼器颈部被构造为用作吹扫空气通道。
18.根据任何前述条项所述的阻尼器，其中所述声学腔、所述腔馈送孔和所述阻尼器颈部都与所述套圈中的吹扫空气通道分离，并且不与其流体连通。
19.根据任何前述条项所述的阻尼器，其中所述声学腔是第一声学腔和第二声学腔，并且其中，所述第一声学腔的尺寸设计为在第一频率处谐振，并且所述第二声学腔的尺寸设计为在第二频率处谐振，所述第一频率与所述第二频率不同或相同。
20.一种燃气涡轮发动机，包括：燃料喷嘴，所述燃料喷嘴安装在套圈中；旋流器，所述旋流器被构造为在燃烧区段中混合空气和燃料；以及阻尼器，所述阻尼器与所述套圈是一体的且形成单一个体，其中，所述阻尼器的尺寸设计为吸收所述旋流器中的流体动力或声学不稳定性的频率。
尽管前面的描述针对优选实施例，但是应当注意，其他变化和修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的，并且可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下进行。此外，结合本公开的一个实施例描述的特征可以结合其他实施例使用，即使上面没有明确说明。

Claims (10)

1.一种燃气涡轮发动机，其特征在于，包括：
燃烧区段，所述燃烧区段具有冷侧和热侧，其中所述燃烧区段的所述冷侧包括：
燃料喷嘴；
旋流器；
套圈，所述套圈被构造为将所述燃料喷嘴与所述旋流器安装并居中；以及
阻尼器，所述阻尼器具有声学腔、阻尼器颈部和阻尼器颈部开口，
其中所述阻尼器用作亥姆霍兹腔并且被构造为吸收存在于所述旋流器的内部的区域中的流体动力学或声学不稳定性。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述阻尼器的横截面是环形的。
3.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述阻尼器与所述套圈是一体的且形成单一个体，使得所述声学腔在所述套圈的本体内。
4.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述声学腔进一步用作吹扫空气通道。
5.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述声学腔与所述套圈中的吹扫空气通道分离，并且不与其流体连通。
6.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述流体动力学或声学不稳定性发生在第一频率处，并且其中所述阻尼器被构造为基于所述阻尼器颈部开口的面积、所述阻尼器颈部的长度、所述声学腔的容积或其任何组合在所述第一频率处谐振。
7.根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述阻尼器在所述第一频率处具有约为1的高吸收系数。
8.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，进一步包括集成的圆顶和衬里。
9.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述阻尼器的外表面用作流动调节表面，所述流动调节表面被构造为将空气流引导到所述燃烧区段中。
10.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述声学腔是具有多于一个容积的多容积声学腔，并且其中所述多于一个容积中的每一个容积被构造为在相同频率或不同频率处谐振。
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