CN102956228B - 用于在燃气涡轮发动机中使用的消声装置 - Google Patents

用于在燃气涡轮发动机中使用的消声装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于在燃气涡轮发动机中使用的消声装置。***包括第一壁、孔口板和第二壁。第一壁分隔第一流体源与第二流体源。第一壁具有孔，用于允许在第一流体源与***的第一腔之间的流体连通。孔口板分隔***的第一腔与***的第二腔。第二壁具有孔以允许在***的第一腔与***的第二腔之间的流体连通。第二壁分隔***的第二腔与第二流体源。第二壁具有孔以允许在***的第二腔与第二流体源之间的流体连通。在一个实施例中，***形成于燃气涡轮发动机的燃烧室衬套中。

Description

用于在燃气涡轮发动机中使用的消声装置
技术领域
本申请大体而言涉及燃烧器，且更特定而言涉及在燃气涡轮发动机的燃烧器的燃烧衬套中的***(acoustic dampener)。
背景技术
世界范围内对于空气污染的关注已经导致国内和国际上更严格的排放标准。来自工业航空发动机的污染物排放要受环境保护署(EPA)标准控制，环境保护署(EPA)标准调控氮氧化物(NOx)、未燃烃(HC)和一氧化碳(CO)的排放。一般而言，发动机排放物属于两类：由于高火焰温度而形成的那些(NOx)，和由于不允许燃料-空气反应进行到完成的低火焰温度而形成的那些(HC & CO)。
更严格的排放法规导致利用贫燃预混合燃烧的燃气涡轮燃烧***。由于较低的火焰温度，贫焰显著地降低了NOx排放，但对于燃烧声音(acoustics)却更为敏感，这可限制可操作性和性能，影响污染物排放并减小燃烧器构件的使用寿命。通常，做出更多的努力来优化燃烧器设计以满足排放和可操作性要求。
至少一些已知的燃气涡轮燃烧器包括多个混合器，混合器混合高速空气与诸如柴油燃料的液态燃料或者诸如天然气的气态燃料，以提高火焰稳定和混合。至少一些已知的混合器包括位于用于使进来的空气旋流的旋流器的中心处的单个燃料喷射器。燃料喷射器和混合器都位于燃烧器拱形件上。燃烧器包括混合器组件和热屏蔽件，热屏蔽件便于保护拱形件组件。热屏蔽件和燃烧器衬套由冲击拱形件的空气冷却以便于将热屏蔽件的操作温度维持在预定限制内。
在操作期间，从引燃混合器排出的混合物流的膨胀可绕热屏蔽件生成环形旋涡。未燃的燃料可对流到这些不稳定的旋涡内。在与燃烧气体混合之后，燃料-空气混合物点燃，并且随后的放热可以是非常突然的。在许多已知的燃烧器中，在热屏蔽件周围的热气体便于稳定由于点燃而形成的火焰。但是，由于快速放热导致的压力脉冲可影响到随后的旋涡的形成，且导致对燃烧器构件的重复的应力疲劳。随后的旋涡可导致在燃烧器内的压力振荡超过可接受的限制，且导致对燃烧器构件的重复的应力疲劳。
在燃气涡轮发动机中的燃烧声音可在一定范围的频率中发生。典型频率小于1000Hz。但是，在某些条件下，对在1000 ~ 5000 Hz范围的频率的高声振幅也是可能的。这些高频声模式可能会由于高周疲劳而导致燃烧器硬件的快速失效。在先进燃气涡轮燃烧器中为了最小化NOx排放的能量释放密度增加和反应物的快速混合提高了高频声音的可能性。
发明内容
在一方面，提供了一种***。***包括第一腔和第二腔。第一腔具有孔用于允许在第一腔与第一流体源之间的流体连通。第二腔具有第一孔用于允许在第一腔与第二腔之间的流体连通。第二腔具有第二孔用于允许在第二腔与第二流体源之间的流体连通。
在另一方面，提供了一种燃气涡轮发动机。该燃气涡轮发动机包括燃烧器和***。***包括第一腔和第二腔。第一腔具有孔用于允许在第一腔与第一流体源之间的流体连通。第二腔具有第一孔用于允许在第一腔与第二腔之间的流体连通。第二腔具有第二孔用于允许在第二腔与第二流体源之间的流体连通。
在额外方面，提供一种制造用于燃气涡轮发动机的***的方法。第一壁和柱形主体壁形成于燃气涡轮发动机的燃烧室衬套中。孔口板附接于柱形主体壁所限定的柱形内。第二壁与第一壁对立附接于柱形主体壁上。
附图说明
图1为包括燃烧器的燃气涡轮发动机的示意图。
图2为可用于图1中所示的燃气涡轮发动机的燃烧器的截面图。
图3为在图2中所示的***的侧剖面视图。
图4为示出现有技术中已知的***的声音吸收系数的曲线图。
图5为示出如本文中所述的***的吸收系数的曲线图。
部件列表
10 燃气涡轮发动机
12 低压压缩器
14 高压压缩器
16 燃烧器
18 高压涡轮
20 低压涡轮
29 前缘
30 燃烧室
31 后缘
32 外衬套
33 后缘
34 内衬套
35 径向外表面
36 径向内表面
37 拱形板
38 内混合器组件
39 外混合器组件
40 内引燃混合器
41 主混合器
42 中心主体
43 外引燃混合器
44 主混合器
45 环形中心主体
47 径向外表面
48 径向内表面
49 后缘
51 环形燃烧器壳体
52 对称轴线
53 对称轴线
54 引燃中心主体
55 引燃中心主体
56 前缘
60 旋流器
61 旋流器
62 引燃内旋流器
63 后缘
64 引燃外旋流器
65 引燃内旋流器
67 外旋流器
74 预混合器腔
76 外喉部(throat)表面
77 外喉部表面
78 预混合器腔
110 热屏蔽件
111 热屏蔽件
114 表面
120 再循环区
300 ***
302 第一壁
304 孔口板
306 第二壁
308 第一腔
310 第二腔
312 第一壁中的孔
314 孔口板中的孔
316 柱形主体壁中的孔
320 柱形主体壁。
具体实施方式
***减弱在干式低排放(DLE)燃烧器中的高频声音。***包括放置于***内的孔口板，从而添加了额外控制度以优化***性能。通过谨慎地选择孔口板参数(即，孔口板厚度、孔口板表面积和孔口板中的孔的直径和数量)和在孔口板插件的两侧的腔的尺寸(即，体积、直径和高度)，作业者可得到相比于单个腔室谐振器远远更高且更宽的吸收的更健壮的***。
图1为燃气涡轮发动机10的示意图，燃气涡轮发动机10包括低压压缩器12、高压压缩器14和燃烧器16。发动机10还包括高压涡轮18和低压涡轮20。
在操作中，空气流过低压压缩器12且压缩空气从低压压缩器12供应到高压压缩器14。高度压缩的空气输送到燃烧器16。自燃烧器16的空气流(在图1中未图示)驱动涡轮18和20。在一个实施例中，燃气涡轮发动机10为CFM发动机。在另一个实施例中，燃气涡轮发动机10为可自俄亥俄州辛辛那提的通用电气公司购得的LMS100 DLE发动机。
图2为图1所示的燃烧器16的截面视图。燃烧器16包括由环形径向外衬套32和环形径向内衬套34限定的燃烧区或燃烧室30。更具体而言，外衬套32限定燃烧室30的外边界，且内衬套34限定燃烧室30的内边界。衬套32和34在环形燃烧器壳体51的径向内部，环形燃烧器壳体51在衬套32和34周围周向地延伸。
燃烧器16还包括拱形板37。拱形板37安装于燃烧室30的上游，使得拱形板37限定燃烧室30的上游端。至少两个混合器组件38、39从拱形板37延伸以将燃料与空气的混合物输送到燃烧室30。燃烧器16包括径向内混合器组件38和径向外混合器组件39。燃烧器16已知为双环形燃烧器(DAC)。备选地，燃烧器16可为单环形燃烧器(SAC)或三环形燃烧器(TAC)。
一般而言，各混合器组件38、39包括引燃混合器、主混合器和在它们之间延伸的环形中心主体。内混合器组件38包括引燃混合器40、具有后缘31的主混合器41和在主混合器41与引燃混合器40之间延伸的内环形中心主体42。类似地，混合器组件39包括引燃混合器43、具有后缘49的主混合器44和在主混合器44与引燃混合器43之间延伸的环形中心主体45。
环形中心主体42包括径向外表面35、径向内表面36、前缘29和后缘33。表面35限定用于内引燃混合器40的流动路径，且表面36限定用于主混合器41的流动路径。引燃中心主体54相对于对称轴线52在引燃混合器40内大致居中。
类似地，环形中心主体45包括径向外表面47、径向内表面48、前缘56和后缘63。表面47限定用于外引燃混合器43的流动路径，且表面48限定用于主混合器44的流动路径。引燃中心主体55相对于对称轴线53在引燃混合器43内大致居中。
内混合器38还包括成对的同心安装的旋流器60。内旋流器62为环形且周向安置于引燃中心主体54的周围，且外旋流器64周向安置于引燃内旋流器62与中心主体42的径向内表面35之间。
主混合器41包括外喉部表面76，外喉部表面76与中心主体径向外表面36组合，限定环形预混合器腔74。中心主体42延伸到燃烧室30内。主混合器41相对于引燃混合器40同心对准且在混合器38的周围周向延伸。
类似地，外混合器39也包括成对的同心安装的旋流器61。内旋流器65为环形且周向安置于引燃中心主体55的周围，且外旋流器67周向安置于引燃内旋流器65与中心主体45的径向内表面47之间。
主混合器44包括外喉部表面77，外喉部表面77与中心主体径向外表面48组合，限定环形预混合器腔78。在混合器43内的径向外表面77弓形地形成且限定用于主混合器43的外流动路径。主混合器44相对于引燃混合器43同心地对准且在混合器39的周围周向延伸。
在一个实施例中，燃烧器16还包括外热屏蔽件110和内热屏蔽件111。热屏蔽件110和111可移除地联接于拱形板37的下游，使得从预混合器腔74和78排出的流体向下游且沿着热屏蔽件110和111的表面114径向向内引导。
在组装期间，热屏蔽件110和111在燃烧器16内分别联接到内衬套32和34，使得混合器组件38在内热屏蔽件111内大致居中，且混合器组件39在外热屏蔽件110内大致居中。热屏蔽件110大致周向定位于至少一个混合器组件39的周围，且热屏蔽件111大致周向定位于至少一个混合器组件38的周围。
在操作期间，引燃内旋流器62和65、引燃外旋流器64和67以及主旋流器41和44被设计为有效地混合燃料与空气。引燃内旋流器62和65、引燃外旋流器64和67以及主旋流器41和44赋予燃料-空气混合物角动量，从而形成在各混合器组件38和39下游的再循环区120。在燃料-空气混合物从各混合器组件38和39流动之后，混合物点燃并形成火焰峰，火焰峰由再循环区120稳定。在再循环区120的局部气体速度约等于湍流焰速度。热屏蔽件110和111延伸到燃烧室30内，使得未燃的燃料-空气混合物邻近热屏蔽件110和111。照此，邻近热屏蔽件110和111的气体温度约等于压缩器排出温度而不是绝热的火焰温度。此外，由于热屏蔽件110和111弓形地延伸到燃烧室30内，热屏蔽件110和111便于减小燃烧器体积的一部分，燃烧器体积通常被填充有未燃反应物与热燃烧产物的再循环混合物。燃烧室衬套32包括***300。
图3示出了***300的侧剖面视图。在一个实施例中，***300包括与燃烧室衬套32一体的柱形外壁320。***300的第一壁302包括多个孔312，各孔312具有相同的直径。在图3所示的实施例中，第一壁302与燃烧室衬套32是一体的。孔口板304位于由柱形外壁320限定的体积内。孔口板304包括多个孔314，各孔314具有相同的直径。孔口板304、第一壁302和柱形主体320限定第一腔308。在第一壁312中的孔允许在第一流体源(例如，在燃烧器30中的气体)与第一腔308之间的流体连通。第二壁306定位成与第一壁302对立且附接到柱形主体壁320上。第二壁306、柱形主体壁320和孔口板304限定第二腔310。在孔口板304中的孔314允许在第一腔308与第二腔310之间的流体连通。在一个实施例中，允许在第二腔310与第二流体源(例如，进气或冷却空气)之间的流体连通的孔316在柱形主体壁320中。在权利要求的范围内还设想允许在第二腔与第二流体源之间的流体连通的孔316可在第二壁306中。允许在第二腔310与第二流体源之间的流体连通的多个孔316各具有相同的直径。
在一个实施例中，通过以下步骤来构造***300：在燃烧室衬套32中形成第一壁302和柱形主体壁320；将孔口板304附接于柱形内由柱形主体壁320限定的预定深度处；以及使第二壁306与第一壁302对立附接于柱形主体壁320的端部。在另一实施例中，第一壁302、柱形主体壁320的一部分和孔口板304全都与燃烧室衬套32一体地形成，并且选定车辆(vehicle)主体壁320的另一部分与第二壁306一体地形成且附接到孔口板304或柱形主体壁320。
孔316充当计量孔口，其控制通过***300的偏流量。在孔口板304中的孔314和在第一壁302中的孔312允许偏流扩散到热燃烧室30内并且还允许起源于燃烧室30中的声波被传送进或传送出***300。选择第一腔308和第二腔310中的每一个的体积和在第一壁302、孔口板304和第二壁306中的孔的大小和数量，使得在期望频率范围的声波在***300中被吸收。用于燃烧室30的***300的位置和数量应基于燃烧室30的声模型分析地或经验地确定，其中应理解在***300的数量与到燃烧室内的偏流量之间存在权衡。在一个实施例中，2个***用于各24°燃烧器扇区。在期望频率范围的燃烧声音的减轻通过由腔体积吸收声波和由泻流孔使在期望频率的旋涡脱落且因此将声能转换为旋涡能来实现。在用于LMS100 DLE2发动机的一个实施例中，第一壁302具有15个直径各为0.14英寸的孔；孔口板304具有16个直径各为0.075英寸的孔；柱形主体壁320具有5个直径各为0.08英寸的孔；第一腔308为1.173立方英寸；且第二腔310为1.224立方英寸。
在期望频率范围中的声波在很大程度上被衰减或完全消除。当来自压力/放热耦合的驱动力超过***衰减能力时，燃烧声音的振幅增加。***300能通过添加充分的***衰减来克服驱动力以消除燃烧声音。本文中所公开的***300适合于高频(KHz范围)声减弱，因为腔体积与目标频率成反比，使得目标频率越高，所期望的装置体积就越小。这易于在紧凑全环形燃烧器中的实施。
参看图4和图5，***300在全环形燃烧器中的效果相对于单个腔室亥姆霍兹谐振器在全环形燃烧器中的效果示出。图4描绘了在从0-5500Hz、单个腔室亥姆霍兹谐振器在全环形燃烧器中的吸收系数。该曲线类似于以大约2750 Hz为中心的单个钟形曲线。图5描绘了从0 - 5500 Hz、***300在全环形燃烧器中的吸收系数。该曲线类似于成对的叠加的钟形曲线，其具有不同的中心频率(即，2500 Hz和4750 Hz)，但是，峰值吸收系数已增加且在2个峰值之间的频率并不显著降低。此外，在图5中的吸收系数跨较宽的频率范围保持相对较高，使得在曲线下方的面积大于使用具有不同目标频率的多个亥姆霍兹谐振器可实现的面积。
虽然关于各种具体实施例描述了本发明，但本领域技术人员将认识到在权利要求的精神和范围内在实践本发明时可做出修改。

Claims (7)

1.一种***(300)，包括：
侧壁，其围绕***腔；
孔口板，其选择性地设置在所述***腔内以形成：
第一腔(308)，其具有孔(312)用于允许经燃烧室中的气体在所述第一腔(308)与第一流体源之间的流体连通；以及
第二腔(310)，其与所述第一腔流体连通，且所述第二腔(310)与第二流体源之间流体连通。
2.根据权利要求1所述的***(300)，其特征在于，还包括：
第一壁(302)，其用于分隔第一流体源与第二流体源，所述第一壁(302)具有孔(312)，用于允许在所述第一流体源与所述***(300)的第一腔(308)之间的流体连通；
其中，所述孔口板用于分隔所述***(300)的所述第一腔(308)与所述***(300)的所述第二腔(310)，所述孔口板具有孔(314)，用于允许在所述***(300)的第一腔(308)与所述***(300)的第二腔(310)之间的流体连通；以及
第二壁(306)，其用于分隔所述***(300)的第二腔(310)与所述第二流体源，所述第二壁(306)具有孔(316)，用于允许在所述***(300)的第二腔(310)与所述第二流体源之间的流体连通。
3.根据权利要求2所述的***(300)，其特征在于，
所述第一壁(302)具有多个孔(312)，用于允许在所述第一流体源与所述***(300)的第一腔(308)之间的流体连通，所述多个孔(312)中的每一个具有相同的尺寸；
所述孔口板(304)具有多个孔(314)，用于允许在所述***(300)的第一腔(308)与所述***(300)的第二腔(310)之间的流体连通，所述多个孔(314)中的每一个具有相同的尺寸；以及
所述第二壁(306)具有多个孔(316)，用于允许在所述第二腔(310)与第二流体源之间的流体连通，所述多个孔(316)中的每一个具有相同的尺寸。
4.根据权利要求2所述的***(300)，其特征在于，在所述第一壁(302)中的一些孔、在所述第二壁(306)中的一些孔和在所述孔口板(304)中的一些孔中的每一个是不同的。
5.根据权利要求2所述的***(300)，其特征在于，在所述第一壁(302)、所述孔口板(304)和所述第二壁(306)中的孔的数量和尺寸；所述***(300)的第一腔(308)的体积；以及所述***(300)的第二腔(310)的体积被选择以形成旋涡，用于衰减在所述第一流体源中生成的声波。
6.根据权利要求1所述的***(300)，其特征在于，所述第一流体源为燃气涡轮发动机(10)的燃烧室(30)，并且所述***(300)的第一壁(302)与所述燃气涡轮发动机(10)的燃烧室衬套(32)为一体。
7.根据权利要求1所述的***(300)，其特征在于，所述第二流体源为燃气涡轮发动机的进气或冷却空气，其中所述侧壁具有允许所述第二腔(310)与第二流体源之间流体连通的孔，流体穿过所述侧壁上的孔的方向与流体穿过所述孔口板上的孔的方向不同。
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