CN1151344C - 一种用于减少燃烧器的声波振幅的阻尼装置 - Google Patents

一种用于减少燃烧器的声波振幅的阻尼装置 Download PDF

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Abstract

阻尼装置，用于减少在运行一个内燃机、主要是驱动一个燃气轮机组的燃烧器中的声波振幅的阻尼装置，具有一个将空气流和一个燃料流混合成一个燃料一空气混合物的混合区，以及一个在燃料—空气混合物流动方向被安置在混合区下游的燃烧室，燃料—空气混合物在其中可被点燃。该亥姆霍兹共振器(4)被这样直接与该混合区(2)相连接，使得在燃烧器中形成的声波在亥姆霍兹共振器中被抑制，并且不被反射返回到燃烧器中。

Description

一种用于减少燃烧器的声波振幅的阻尼装置
技术领域
本发明涉及一种用于减少燃烧器的声波振幅的阻尼装置。
背景技术
已公知，当燃料在燃烧室中燃烧时，会出现以声波形式构成的所谓燃烧室波动，并且它被试图通过合适的结构措施来有目的地抑制，这种燃烧室例如被用在飞机发动机中、或者被用在驱动热电站的燃烧器中、特别是在燃气轮机设备中。例如在飞机发动机的补燃器系统中，使用所谓的后清除(hinterspuelte)孔板作为壁板，这些孔板既被用来冷却壁也被用来抑制所不希望出现的声波。
这种后清除孔板也被用在通常的燃气轮机燃烧室中，在这里，它基本上完成同样的任务，即冷却燃烧室壁及有目的地抑制在燃烧室中形成的声学振动。
在着眼于减少有害物质排出的燃烧室最佳化设计进程中，越来越多地将燃烧室本身设计成没有冷却空气导入到燃烧室中的结构，因为产生低有害物质的燃烧需要全部的空气，而这种结构通过反射壁面只能起到很小的声波阻尼作用，因而对于这样的燃烧室经常安排附加的阻尼元件。
这些阻尼元件通常按照所谓的亥姆霍兹共振器原理工作。原理上讲，亥姆霍兹区鸣器是容积元件，可以这样调节它们的共鸣特性，使得它们有目的地对通过它们的、具有确定频率的机械波及声波进行阻尼。
已公知应用亥姆霍兹共振器来抑制在燃烧室内声波的探讨。在此，亥姆霍兹共振器被安置在邻近实际的燃烧器的所谓燃烧室罩(Brennkammerdom)中，由此，一方面虽然可以减弱声波的振幅，但是不能以这种方式完全减小燃烧器对声波产生的直接影响。
发明内容
因此，本发明的任务是，这样进一步构造一个用于减少一个燃烧器的声波振幅的阻尼装置，该燃烧器用于运行一个内燃机、主要是驱动一个燃气轮机组，使得几乎完全将每个在燃烧器中出现的声学振动抑制住，该燃烧器通常设置了一个在其中一个空气流和一个燃料流被相互混合成一个燃料—空气混合物的混合区，还设置了一个在燃料—空气混合物的流动方向被安置在该混合区后面的燃烧室，在该燃烧室中燃料—空气混合物可被点燃。本发明的阻尼装置应该能够被后来安装在现存的内燃机中，并且能够容易地相对于相应的燃烧器调准共振特性。
根据本发明，提出一种用于减少燃烧器的声波振幅的阻尼装置，该燃烧器用于运转一个内燃机、主要是驱动一个燃气轮机组，具有一个混合区和一个燃烧室，在该混合区中，一个空气流和一个燃料流被相互混合成一个燃料—空气混合物，而该燃烧室在燃料—空气混合物的流动方向被安置在该混合区的下游，该燃料—空气混合物在该燃烧室内可被点燃，其特征为，一个亥姆霍兹共振器这样直接与燃烧器的混合区连接，使得在燃烧器中形成的声波在亥姆霍兹共振器中被抑制，并且不被反射回到该燃烧器中。
此外还给出了对于本发明构想的进一步有利构造。
本发明用于减少在一个用于运行内燃机的燃烧器中的声波振幅的阻尼装置被这样进一步构造，即，将一个亥姆霍兹共振器这样直接地与该燃烧器的混合区连接，使得在燃烧器中形成的声波在亥姆霍兹共振器中被抑制，并且不被反射回到该燃烧器中。
本发明所基于的构想是将一个亥姆霍兹共振器直接地集成到燃烧器本体中，从而在燃烧器中形成的声波能够由通过混合区而直接与燃烧室连接的亥姆霍兹共振器完全吸收。这样，在燃烧器中形成的声波就不再被反射，因为燃烧器由于集成在燃烧器中的亥姆霍兹共振器的体积而具有一个声学匹配的后壁，在该后壁上声波不再能被反射回去。如同在下面的还要进一步讨论的那样，这种匹配也可借助于一个λ/4体积来实现。
借助于直接设置在燃烧器中的亥姆霍兹共振器可以有目的地避免声反馈，从而可以完全避免例如在燃料—空气混合物被点燃的区域中形成的声波的一个所不希望的声反馈，上述区域对于能量转换具有决定性意义。正是这种声反馈在通常的燃烧室系统中导致所不希望的燃烧室波动，这些燃烧室波动导致总燃烧效率的大大恶化。
这样，对于燃气轮机设备的点火，已经构成具有一个锥形的混合区的燃烧器，该混合区直接与燃烧室相连，在燃烧室中燃料—空气混合物被点燃。例如由EP 0 321 809 B1给出一个这样的燃烧器，并且被卓有成效地用于燃气轮机设备的点火中，在此，该文献构成本说明书一体的组成部分。最好将一个亥姆霍兹共振器形式的阻尼元件直接安置在锥形燃烧器的尖顶处，亥姆霍兹共振器可以在一侧被封闭，或者被构造为供给空气和/或燃料的通道。
为了防止附加的连接到燃烧器系统的燃料或供应一空气导入管可能引起的对于整个燃烧器的声学振动特性的不利影响，在大多数场合，将这样的导入管最好安置在亥姆霍兹共振器与燃烧器或者与混合区之间。
例如，特别为燃烧器的起动阶段设置的、并且通常被称为引燃气管(Pilotgasleitung)的燃料导入管被安置在该燃烧器和亥姆霍兹共振器之间，由于直接邻近亥姆霍兹共振器和向该燃烧器的空气或燃料流中的引燃气供入，亥姆霍兹共振器的阻尼特性也直接对附加的引燃气供入起作用。
为了能够单个地将亥姆霍兹共振器的共鸣特性对于燃烧器调准，将亥姆霍兹共振器设置成可以相对于燃烧器纵向移动。这可以例如通过以伸缩套筒式构成的到燃烧器的连接管道实现，或者最简单地通过螺纹实现，通过它们就可以单个地调节亥姆霍兹共振器和燃烧器入口之间的距离。
在亥姆霍兹共振器本身上能够以合适的方式设置改变亥姆霍兹共振器体积的调节元件，通过这些调节元件，同样可以对亥姆霍兹共振器的共振特性单个地匹配。
亥姆霍兹共振器最好被尽可能近地安置在燃烧器旁，或者甚至安置在燃烧器内。为了避免由于在燃烧器的混合区内的燃烧供入空气而可能引起的流动扰动，将亥姆霍兹共振器安装在包围燃烧器的一个燃烧器壳体的外面，是有利的。也可采用这样的措施，将亥姆霍兹共振器以一个集成的结构方式安装在燃烧器壳体内部，而且在过程中对燃烧供入空气流没有不利影响。
从原理上说，设置一个亥姆霍兹共振器来对一个燃烧器内的声学振动进行阻尼，不受燃烧器类型的限制，这些燃烧器设置了上面所述方式构造的混合区。而且，那种在燃烧器内部没有会引起涡旋的中央体的燃烧器也可以装备上根据本发明的阻尼元件。
在这个意义上，根据如同上述的任务，还可安装上一个四分之一波长波阻尼器(Lambda/4波阻尼器)，在此，这个阻尼器基于一个一维驻波。
附图说明
在下面将借助于实施例并参照附图对本发明举例说明，对本发明一般的发明构思没有加以限制。附图示出：
图1：一个燃烧器和锥形构造的混合区以及一个亥姆霍兹共振器的组合，
图2：一个燃烧器和锥形构造的中央体以及一个亥姆霍兹共振器的组合。
图3：一个燃烧器和一个相对于混合区纵向可移动安置的亥姆霍兹共振器的组合。
具体实施方式
图1给出一个燃烧器非常简化的剖面示意图，该燃烧器例如在EP 0 321 809 B1中被详细说明。
直接在燃烧室1上连接一个构造为锥形的混合区2，在此不讨论该混合区2的内部结构和工作方式，其进一步细节可参考在前面提到的欧洲专利文献。在构造为锥形的该混合区2的顶部上通过一个导管3直接设置了一个亥姆霍兹共振器4，它通过一个开放的体积与混合区2以及燃烧室1连接。可以借助于一个合适的相对于该燃烧器的共振特性调准的亥姆霍兹共振器4有目的地对在燃烧室1和混合区2内部产生的声波进行阻尼。在图1所示燃烧器中由左向右进入亥姆霍兹共振器4内部的声波的一个反射，在该共振器中被有目的地阻尼，并且不再反射回到燃烧器的内部。
在图1所示的情况中，亥姆霍兹共振器4具有两个相对的开口，从而一个质量流、例如空气或燃料流可以流过该亥姆霍兹共振器4。
该燃烧器可选择性地安装一个引燃气(pilotgas)导入管5，它最好被安置在亥姆霍兹共振器4和混合区2之间。
与图1所示燃烧器结构形式不同，在图2所示的燃烧器中具有一个构造为V形的中央体6，该中央体6与锥形混合区2一样，同样用于燃烧空气8和燃料的有目的混合。在图2所示燃烧器中，也直接在该中央体6的前面通过一个导管3设置一个亥姆霍兹共振器4，用于有目的地对声波进行阻尼。其中，也可选择地设置一个补充的引燃气导入管5。
为了单个地相对于燃烧器调准亥姆霍兹共振器4的共振特性，在图3的实施例中设置一个空腔共振器4，该空腔共振器4可在导管3内相对于混合区2纵向移动。以这种方式，就可以进行一个有目的的共振调整，而没有大的附加费用。该纵向可移动性可以借助于两个相套滑动的管子、或者以最简单的方式借助于一个螺纹来实现。除纵向可移动外，该亥姆霍兹共振器4还具有未进一步示出的调节元件，通过这些调节元件，可以改变亥姆霍兹共振器4的共振器体积。
在前面所述的图1和图2的实施例中，亥姆霍兹共振器4被安置在一个包围整个燃烧器的壳体内部，与此相反，在图3的实施例中，设置了将亥姆霍兹共振器4安置在壳体7外部的结构。这种使亥姆霍兹共振器4处于壳体7外部的配置特别用于使壳体7内部的混合区2内形成不受干扰的燃烧供应空气流动，尽管声学阻尼特性基本上由亥姆霍兹共振器4确定。
               参考标号表
1.  燃烧室
2.  锥形构造的混合区
3.  连接管
4.  亥姆霍兹共振器
5.  引燃气导管
6.  双锥形构造的中央体
7.  燃烧器壳体
8.  燃烧空气流

Claims (12)

1.用于减少燃烧器的声波振幅的阻尼装置，该燃烧器用于运转一个内燃机，具有一个混合区(2)和一个燃烧室(1)，在该混合区(2)中，一个空气流和一个燃料流被相互混合成一个燃料—空气混合物，而该燃烧室(1)在燃料—空气混合物的流动方向被安置在该混合区(2)的下游，该燃料—空气混合物在该燃烧室(1)内可被点燃，其特征为，一个亥姆霍兹共振器(4)这样直接与燃烧器的混合区(2)连接，使得在燃烧器中形成的声波在亥姆霍兹共振器(4)中被抑制，并且不被反射回到该燃烧器中。
2.根据权利要求1所述的阻尼装置，其特征为，该亥姆霍兹共振器(4)在燃料—空气混合物的流动方向被安置在混合区(2)的上游。
3.根据权利要求1或2所述的阻尼装置，其特征为，在燃烧器中设置了一个锥形的混合区(2)，燃烧室(1)连接在该混合区(2)的最大直径上，该亥姆霍兹共振器(4)被安置在该混合区(2)的尖顶上。
4.根据权利要求3所述的阻尼装置，其特征为，在亥姆霍兹共振器(4)和混合区(2)之间设置了一个燃料导入管(5)和/或燃油喷嘴。
5.根据权利要求4所述的阻尼装置，其特征为，该燃料导入管(5)是为引燃气的供给而设置的。
6.根据权利要求1或2所述的阻尼装置，其特征为，该亥姆霍兹共振器(4)被安置得相对于混合区(2)可移动，以便在亥姆霍兹共振器(4)封闭的体积状态中能够调准频率。
7.根据权利要求1或2所述的阻尼装置，其特征为，一个壳体(7)包围该燃烧器。
8.根据权利要求7所述的阻尼装置，其特征为，该亥姆霍兹共振器(4)被安置在壳体(7)的内部或外部。
9.根据权利要求1或2所述的阻尼装置，其特征为，该混合区(2)被构造为涡旋发生器，在其内部，形成围绕一个轴线涡旋的燃料—空气混合物。
10.根据权利要求1所述的阻尼装置，其特征为，所述燃烧器用于驱动一个燃气轮机组。
11.用于减少燃烧器的声波振幅的阻尼装置，该燃烧器用于运转一个内燃机，具有一个混合区(2)和一个燃烧室(1)，在该混合区(2)中，一个空气流和一个燃料流被相互混合成一个燃料—空气混合物，而该燃烧室(1)在燃料—空气混合物的流动方向被安置在该混合区(2)的下游，该燃料—空气混合物在该燃烧室(1)内可被点燃，其特征为，为了减小声波的振幅，可使用一个四分之一波长波管。
12.根据权利要求11所述的阻尼装置，其特征为，所述燃烧器用于驱动一个燃气轮机组。
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