CN115355534B - 一种燃气轮机燃料混合系统及燃气轮机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃气轮机燃料混合系统，包括多个预混通道、导流罩以及谐振装置。预混通道设置在导流罩的内部，用于混合燃料和空气，并将混合后的燃料和空气输送至燃气轮机的燃烧区域进行燃烧。谐振装置设置在导流罩内部的由多个预混通道分割的空间中，谐振装置包括向导流罩径向辐射延伸的多个谐振分支，多个谐振分支部分包围多个预混通道中的一个或多个，用于抑制燃烧区域不稳定燃烧所引起的热声振荡。本发明充分利用了导流罩内部的复杂空间，有效增大了谐振装置的可用体积，提高了热声振荡的抑制能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃气轮机，具体而言，涉及一种燃气轮机燃料混合系统及燃气轮机。
背景技术
燃气轮机包括压气机、燃烧室、透平三大部件，压气机的排气在燃烧室内与燃料混合后参与燃烧，燃烧生成的热燃气输送至透平做功。燃气轮机燃烧室是在贫燃条件下工作，极容易出现热声不稳定性，产生较大的热声震荡。
基于此，采用谐振腔结构是目前常用的一种被动控制手段。理想的谐振腔能够消除特定频率的声波，使声波的传递损失无限大。利用谐振腔的这一特点，可在燃烧室中设置谐振腔结构来降低高频振荡，达到抑制热声振荡的目的。
现有的技术方案主要有两种：第一种方案如图1所示，在火焰筒外壁上设置谐振腔，火焰筒壁面处开多个孔，相当于谐振腔的喉部；谐振腔外侧壁面分布均布的清吹小孔，外部冷气可通过清吹孔进入谐振腔内，实现对谐振腔的冷却。这种方案可实现对热声振荡的抑制，但这种结构仅能抑制高频率模态振荡，并且对腔体在火焰筒轴向位置布置的准确性要求高，影响火焰筒的温度均匀性。
第二种方案如图2所示，直接将谐振腔设置在罩帽内部设置，由于罩帽内部结构复杂，内部空间较小，谐振腔体设计受到限制，谐振腔对于热声振荡的抑制较弱。
专利CN113739202A公开了具有一种调整热声震荡功能的罩帽结构。如图3所示，包括中心喷嘴通道2021；外围喷嘴通道2022。中心谐振器301分布在中心喷嘴2021的外周向，并且多个中心谐振器301在中心喷嘴的周向上间隔布置构成了中心减震环，中心减震环设置在中心喷嘴通道2021和外围喷嘴通道2022的外周，即罩帽面板上。该专利主要是对于导流罩罩帽结构的设计，并没有对谐振装置的结构进行直接的限制。
鉴于以上技术问题，特推出本发明。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种燃气轮机燃料混合系统及燃气轮机，能够适应导流罩内的复杂空间，增大了谐振腔的可用体积，并且结构稳定，能够有效抑制热声振荡。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提出了一种燃气轮机燃料混合系统，包括多个预混通道、导流罩，其中预混通道设置在导流罩的内部，用于混合燃料和空气，并将混合后的燃料和空气输送至燃气轮机的燃烧区域进行燃烧。
燃料混合系统还包括谐振装置，谐振装置设置在导流罩内部的由多个预混通道分割的空间中，谐振装置包括向导流罩径向辐射延伸的多个谐振分支，多个谐振分支部分包围多个预混通道中的一个或多个，抑制燃烧区域不稳定燃烧所引起的热声振荡。
进一步的，多个预混通道包括中心混合通道和外围混合通道，外围混合通道围绕中心混合通道周向分布，中心混合通道和外围混合通道形成第一间隙空间，相邻外围混合通道之间形成第二间隙空间，多个谐振分支至少部分位于第二间隙空间内。
进一步的，谐振装置包括谐振主体，多个谐振分支从谐振主体延伸出，谐振主体至少部分位于第一间隙空间内。
进一步的，谐振装置包括内环面，内环面环绕中心混合通道分布，并且内环面至少部分位于第一间隙空间内。
进一步的，谐振装置包括外环面，外环面与内环面围设形成谐振腔体。
进一步的，外环面包括外围面，外围面部分位于第一间隙空间，并且至少部分位于第二间隙空间中。
进一步的，外环面还包括过渡面，过渡面连接外围面，形成对相邻外围面的过渡连接。
进一步的，位于第二间隙空间内的外围面与过渡面限定形成了谐振分支。
进一步的，位于第一间隙空间内的外围面与内环面限定形成了谐振主体。
进一步的，导流罩与谐振装置之间设有支撑结构，以增强谐振装置在径向上的稳定性。
进一步的，导流罩包括端帽面和围绕端帽面设置的壁面，端帽面和壁面围设形成第一腔体，预混通道和谐振装置均位于第一腔体内部，并沿第一腔体的轴向延伸。
进一步的，支撑结构一端连接导流罩的壁面，支撑结构另一端连接谐振装置的外环面。
进一步的，支撑结构与外环面的过渡面连接。
进一步的，谐振装置包括第一端面和第二端面，第一端面位于第二端面的气流上游。
进一步的，第一端面设有第一进气孔，冷却气流通过第一进气孔进入谐振腔体，对谐振腔体进行冷却。
进一步的，外环面设有第二进气孔，冷却气流通过第二进气孔进入谐振腔体，对谐振腔体进行冷却。
进一步的，第二端面设有喉部通孔，喉部通孔由第二端面向端帽面轴向延伸，冷却气流进入谐振腔体后从喉部通孔流出。
进一步的，谐振装置对热声振荡的抑制频率和抑制强度由喉部通孔的形状、尺寸、个数以及在第二端面上的分布中的一个或多个因素确定。
进一步的，喉部通孔为圆柱通孔，多个喉部通孔之间彼此独立。
进一步的，喉部通孔为环形连续通孔。
进一步的，谐振装置沿轴向的长度不大于壁面的轴向长度。
进一步的，导流罩的端帽面包括第一冷却孔和第二冷却孔，冷却气流通过第一冷却孔进入燃烧区域，第二冷却孔与喉部通孔连通，冷却气流依次通过喉部通孔、第二冷却孔进入燃烧区域。
进一步的，包括喷嘴，喷嘴围设形成预混通道。
进一步的，端帽面设有喷嘴通道孔，喷嘴通道孔与预混通道连通，预混通道气流经过喷嘴通道孔进入燃烧区域。
应用本发明提出的燃气轮机燃料混合系统，至少实现了如下有益效果：
1、该燃气轮机燃料混合系统的谐振装置可以有效抑制燃烧室不稳定燃烧所引起的热声振荡；
2、该燃气轮机燃料混合系统的谐振装置充分利用了导流罩内部的复杂空间，有效增大了谐振装置的可用体积，提高了热声振荡抑制能力；
3、该燃气轮机燃料混合系统的谐振装置和导流罩具有互相支撑的机构，增强了谐振装置和导流罩整体结构的刚性，也提高了谐振装置在径向上的稳定性；
4、该燃气轮机燃料混合系统的谐振装置结构通过优化过渡面的形状,可以进一步减少支撑结构对于谐振装置的冲击，增强谐振装置在径向上的稳定性。
为了实现上述目的，根据本发明的另一个方面，提出了一种燃气轮机，其包括燃气轮机燃料混合系统。
应用本发明提出的燃气轮机，至少实现了如下有益效果：
1、该燃气轮机的谐振装置可以有效抑制燃烧室不稳定燃烧所引起的热声振荡；
2、该燃气轮机的谐振装置充分利用了导流罩内部的复杂空间，有效增大了谐振装置的可用体积，提高了热声振荡抑制能力；
3、该燃气轮机的谐振装置和导流罩具有互相支撑的机构，增强了谐振装置和导流罩整体结构的刚性，也提高了谐振装置在径向上的稳定性；
4、该燃气轮机的谐振装置结构通过优化过渡面形状设计可以进一步减少支撑结构对于谐振装置的冲击，增强谐振装置在径向上的稳定性。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了现有技术中第一种技术方案的结构剖视图；
图2示出了现有技术中第二种技术方案的结构剖视图；
图3示出了现有技术专利CN113739202A的结构俯视图；
图4示出了本发明实施例1的燃气轮机燃料混合系统剖视图；
图5示出了本发明实施例1的燃气轮机燃料混合系统俯视图；
图6示出了本发明实施例1的燃气轮机燃料混合系统变体俯视图；
图7示出了本发明实施例1的加支撑结构的燃气轮机燃料混合系统俯视图；
图8示出了本发明实施例1的加支撑结构的燃气轮机燃料混合系统变体1俯视图；
图9示出了本发明实施例1的加支撑结构的燃气轮机燃料混合系统变体2俯视图；
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、预混通道；12、中心混合通道；14、外围混合通道；20、谐振装置；21、谐振腔体；22、谐振分支；24、谐振主体；26、内环面；27、第一端面；28、外环面；29、第二端面；30、导流罩；32、端帽面；33、第一腔体；34、壁面；40、支撑结构；262、第一进气孔；50、喷嘴；282、外围面；284、过渡面；292、喉部通孔；322、第一冷却孔；324、第二冷却孔；326、喷嘴通道孔。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本发明所要求保护的范围。术语“包括”在使用时表明存在特征，但不排除存在或增加一个或多个其它特征；术语“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
实施例1：
根据本发明的一个方面，提出了一种燃气轮机燃料混合系统，如图4所示，该燃料混合系统包括多个预混通道10、导流罩30和谐振装置20。其中，预混通道10设置在导流罩30的内部，用于混合燃料和空气，并将混合后的燃料和空气输送至燃气轮机的燃烧区域进行燃烧。
具体来说，导流罩30包括端帽面32和围绕端帽面32设置的壁面34，端帽面32和壁面34围设形成第一腔体33，预混通道10和谐振装置20均位于第一腔体33内部，并沿第一腔体33的轴向延伸。
此外，燃气轮机燃料混合系统中的预混通道10由喷嘴50围设形成。谐振装置20沿轴向的长度不大于壁面34的轴向长度，且不能影响喷嘴50的安装、冷却气的流动以及其它设备的运行。
如图5所示，谐振装置20设置在导流罩30内部的由多个预混通道10分割的空间中。其中，多个预混通道10包括中心混合通道12和外围混合通道14，外围混合通道14围绕中心混合通道12周向分布。如图6所示，预混通道10包括一个中心混合通道12和五个外围混合通道14。中心混合通道12和外围混合通道14之间形成第一间隙空间，相邻的外围混合通道14之间形成第二间隙空间。附图仅为示意，应当理解为，本申请中对中心混合通道和外围混合通道的具体个数和具体排布方式不做限定。
此外，谐振装置20包括内环面26和外环面28。其中，内环面26环绕中心混合通道12分布，并且内环面26至少部分位于第一间隙空间内。外环面28包括外围面282和过渡面284，外围面282部分位于第一间隙空间，并且至少部分位于第二间隙空间中。过渡面284连接外围面282，形成对相邻外围面282的过渡连接。
谐振装置20的内环面26和外环面28围设形成了谐振分支22和谐振主体24，多个谐振分支22从谐振主体24延伸出，形成了花瓣形谐振结构。通过设置谐振分支，摆脱了内部空间的约束，充分利用了导流罩内部的复杂空间，有效增大了谐振装置的可用体积，提高了热声振荡抑制效果。
具体来说，谐振主体24由位于第一间隙空间内的外围面282与内环面26围设而成，并且至少部分位于第一间隙空间内。谐振分支22由位于第二间隙空间内的外围面282与过渡面284围设而成，谐振分支22部分包围多个预混通道10中的一个或多个，并且至少部分位于第二间隙空间内。此处谐振分支可以在绕开外围混合通道14的情况下在第一腔体33中以任意形状延伸，最大范围可以接近导流罩的壁面34，通过将谐振分支向外延伸，进一步扩大了谐振腔体的体积。优选的，谐振装置的谐振分支可延伸至如图5所示、如图6所示结构，形成花瓣型谐振装置。附图仅为示意，应当理解为，谐振分支的形式不做具体限定。
如图7所示，导流罩30与谐振装置20之间设有支撑结构40，以增强谐振装置20在径向上的稳定性。如图4所示，支撑结构40一端连接导流罩30的壁面34，支撑结构40另一端连接谐振装置20的外环面28。支撑结构40与外环面28的过渡面284连接。在导流罩30与谐振装置20之间设置支撑结构40，增强了谐振装置和导流罩整体结构的刚性，也提高了谐振装置在径向上的稳定性。
此外，需要说明的是，支撑结构40与谐振装置20的接触面过渡面284的连接方式可以是焊接或者其它连接方式。过渡面284可以是如图7所示的平面，可以是如图8所示的凹面，也可以是如图9所示的凸面或者其他形状的面。过渡面284为凹面或者凸面的设计可以进一步减少支撑结构40对于谐振装置的冲击，以增强谐振装置在径向上的稳定性。
如图4所示，谐振装置20还包括第一端面27和第二端面29，第一端面27、第二端面29、外环面28以及内环面26共同围设形成了谐振腔体21。
具体来说，第一端面27位于第二端面29的气流上游。第一端面27设有第一进气孔262，冷却气流通过第一进气孔262进入谐振腔体21，对谐振腔体21进行冷却。第二端面29设有喉部通孔292，喉部通孔292由第二端面29向端帽面32轴向延伸，冷却气流进入谐振腔体21后从喉部通孔292流出。通过将外部冷却气流引入谐振腔体，平衡谐振腔体内部的温度和压力场，防止燃烧区域热气流涌入谐振腔体。
另外，在谐振装置20的外环面28设有第二进气孔，冷却气流还可通过第二进气孔进入谐振腔体21，进一步提高谐振腔体的冷却效果。
根据图5所示，喉部通孔292为圆柱通孔，多个喉部通孔292之间彼此独立，喉部通孔292为环形连续通孔。包括但不限于如图6所示的在谐振主体24和多个谐振分支22上分别设置一系列喉部通孔292，谐振装置20对热声振荡的抑制频率和抑制强度由喉部通孔292的形状、尺寸、个数以及在第二端面29上的分布中的一个或多个因素确定。本发明并未对喉部通孔292的形状、尺寸、个数以及在第二端面29上的分布进行限定，实施例中可以根据抑制的目标频率和需要的热声抑制能力，相应地增大或者减小喉部通孔292的直径，甚至将喉部通孔292连起来形成环形或者其它形状。
根据图4所示，导流罩30的端帽面32包括第一冷却孔322和第二冷却孔324，冷却气流通过第一冷却孔322进入燃烧区域，第二冷却孔324与喉部通孔292连通，冷却气流依次通过喉部通孔292、第二冷却孔324进入燃烧区域。通过将外部冷却气流进入燃烧区域，平衡燃烧区域内部的温度和压力场，防止热气流涌入谐振腔体。
此外，端帽面32还设有喷嘴通道孔326，喷嘴通道孔326与预混通道10连通，预混通道10气流经过喷嘴通道孔326进入燃烧区域，用于将混合后的燃料和空气输送至燃气轮机的燃烧区域进行燃烧。
根据本发明的一个方面，提出一种燃气轮机，其包括燃气轮机燃料混合系统。
总之，从以上的描述中，可以看出，本发明实施例1实现如下技术效果：
1、燃气轮机燃料混合系统的谐振装置可以有效抑制燃烧室不稳定燃烧所引起的热声振荡；2、燃气轮机燃料混合系统的谐振装置充分利用了导流罩内部的复杂空间，有效增大了谐振装置的可用体积，提高了热声振荡抑制能力；3、燃气轮机燃料混合系统的谐振装置和导流罩具有互相支撑的机构，增强了谐振装置和导流罩整体结构的刚性，也提高了谐振装置在径向上的稳定性；4、燃气轮机燃料混合系统的谐振装置结构通过优化过渡面的形状,可以进一步减少支撑结构对于谐振装置的冲击，增强谐振装置在径向上的稳定性。
根据本发明的一个方面，提出一种燃气轮机，其包括燃气轮机燃料混合系统。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (17)
1.一种燃气轮机燃料混合系统，包括多个预混通道(10)、导流罩(30)，所述预混通道(10)设置在所述导流罩(30)的内部，用于混合燃料和空气，并将混合后的燃料和空气输送至所述燃气轮机的燃烧区域进行燃烧，
其特征在于，所述多个预混通道(10)包括中心混合通道(12)和外围混合通道(14)，所述外围混合通道(14)围绕所述中心混合通道(12)周向分布，所述中心混合通道(12)和所述外围混合通道(14)形成第一间隙空间，相邻所述外围混合通道(14)之间形成第二间隙空间，所述燃料混合系统还包括谐振装置(20)，所述谐振装置(20)设置在所述导流罩(30)内部的由所述多个预混通道(10)分割的空间中，所述谐振装置(20)包括谐振主体(24)和从所述谐振主体(24)向所述导流罩(30)径向辐射延伸的多个谐振分支(22)，所述谐振主体(24)至少部分位于所述第一间隙空间内，所述多个谐振分支(22)部分包围多个预混通道(10)中的一个或多个，并且至少部分位于所述第二间隙空间内，抑制所述燃烧区域不稳定燃烧所引起的热声振荡，所述谐振装置(20)包括内环面(26)，所述内环面(26)环绕所述中心混合通道(12)分布，并且所述内环面(26)至少部分位于所述第一间隙空间内，
所述谐振装置(20)包括外环面(28)，所述外环面(28)与所述内环面(26)围设形成谐振腔体(21)，
所述外环面(28)包括外围面(282)，所述外围面(282)部分位于所述第一间隙空间，并且至少部分位于所述第二间隙空间中，
所述外环面(28)还包括过渡面(284)，所述过渡面(284)连接所述外围面(282)，形成对相邻外围面(282)的过渡连接，
位于所述第一间隙空间内的所述外围面(282)与所述内环面(26)限定形成了所述谐振主体(24)，
位于所述第二间隙空间内的所述外围面(282)与所述过渡面(284)限定形成了所述谐振分支(22)。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机燃料混合系统，其特征在于，所述导流罩(30)与所述谐振装置(20)之间设有支撑结构(40)，以增强所述谐振装置(20)在径向上的稳定性。
3.根据权利要求2所述的燃气轮机燃料混合系统，其特征在于，所述导流罩(30)包括端帽面(32)和围绕所述端帽面(32)设置的壁面(34)，所述端帽面(32)和所述壁面(34)围设形成第一腔体(33)，所述预混通道(10)和所述谐振装置(20)均位于所述第一腔体(33)内部，并沿所述第一腔体(33)的轴向延伸。
4.根据权利要求3所述的燃气轮机燃料混合系统，其特征在于，所述支撑结构(40)一端连接所述导流罩(30)的壁面(34)，所述支撑结构(40)另一端连接所述谐振装置(20)的外环面(28)。
5.根据权利要求3所述的燃气轮机燃料混合系统，其特征在于，所述支撑结构(40)与所述外环面(28)的过渡面(284)连接。
6.根据权利要求3所述的燃气轮机燃料混合系统，其特征在于，所述谐振装置(20)包括第一端面(27)和第二端面(29)，所述第一端面(27)位于所述第二端面(29)的气流上游。
7.根据权利要求6所述的燃气轮机燃料混合系统，其特征在于，所述第一端面(27)设有第一进气孔(262)，冷却气流通过所述第一进气孔(262)进入所述谐振腔体(21)，对所述谐振腔体(21)进行冷却。
8.根据权利要求1所述的燃气轮机燃料混合系统，其特征在于，所述外环面(28)设有第二进气孔，冷却气流通过所述第二进气孔进入所述谐振腔体(21)，对所述谐振腔体(21)进行冷却。
9.根据权利要求7所述的燃气轮机燃料混合系统，其特征在于，所述第二端面(29)设有喉部通孔(292)，所述喉部通孔(292)由所述第二端面(29)向所述端帽面(32)轴向延伸，冷却气流进入所述谐振腔体(21)后从所述喉部通孔(292)流出。
10.根据权利要求9所述的燃气轮机燃料混合系统，其特征在于，所述谐振装置(20)对热声振荡的抑制频率和抑制强度由所述喉部通孔(292)的形状、尺寸、个数以及在所述第二端面(29)上的分布中的一个或多个因素确定。
11.根据权利要求9或10所述的燃气轮机燃料混合系统，其特征在于，所述喉部通孔(292)为圆柱通孔，所述多个喉部通孔(292)之间彼此独立。
12.根据权利要求9或10所述的燃气轮机燃料混合系统，其特征在于，所述喉部通孔(292)为环形连续通孔。
13.根据权利要求3所述的燃气轮机燃料混合系统，其特征在于，所述谐振装置(20)沿轴向的长度不大于所述壁面(34)的轴向长度。
14.根据权利要求9所述的燃气轮机燃料混合系统，其特征在于，所述导流罩(30)的端帽面(32)包括第一冷却孔(322)和第二冷却孔(324)，冷却气流通过所述第一冷却孔(322)进入燃烧区域，所述第二冷却孔(324)与所述喉部通孔(292)连通，冷却气流依次通过所述喉部通孔(292)、所述第二冷却孔(324)进入所述燃烧区域。
15.根据权利要求1所述的燃气轮机燃料混合系统，其特征在于，包括喷嘴(50)，所述喷嘴(50)围设形成预混通道(10)。
16.根据权利要求3-7任一项所述的燃气轮机燃料混合系统，其特征在于，所述端帽面(32)设有喷嘴通道孔(326)，所述喷嘴通道孔(326)与所述预混通道(10)连通，所述预混通道(10)气流经过所述喷嘴通道孔(326)进入所述燃烧区域。
17.一种燃气轮机，其包括权利要求1-16任一项所述权利要求中的燃气轮机燃料混合系统。
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