CN103717970B - 用于对动力进行阻尼的带有双向歧管的燃烧器 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种用于对空气流和燃料流进行燃烧的燃烧器(25)。燃烧器可包括：多个燃料喷嘴(110)；其中带有空气流的空气路径，该空气路径通向燃料喷嘴；以及歧管(230)，其设在燃料喷嘴上游处的空气路径中。歧管可包括多个共振管(250)。

Description

用于对动力进行阻尼的带有双向歧管的燃烧器

技术领域

本发明大体涉及燃气涡轮发动机并更具体地涉及一种用于燃气涡轮发动机的带有双向歧管的燃烧器，其中所述双向歧管用作亥姆霍兹（Helmholtz）型共振器以便阻尼燃烧器中的动力（dynamics）。

背景技术

大体来说，燃气涡轮发动机对压缩空气与压缩燃料的混合物进行燃烧，以便产生热的燃烧气体。热的燃烧气体可以用于提供有用的机械功。燃烧可以在围绕燃气涡轮发动机的纵向轴线径向定位的多个燃烧器中发生。由于燃烧过程中的湍流性质和释放到闭合空腔中的大体积应变能，此类燃烧器可能容易受燃烧引发的大幅值的不稳定压力振荡的各种模式和频率影响。如果频带中的一者是与燃气涡轮发动机内的零件或子***的自然频带对应，那么可能造成该零件或整个发动机的损坏。

在传统上，用于抑制这些压力振荡的已知方法集中在将激励来源与反馈机制去耦方面。大体来说，此类抑制装置仅仅在燃烧器的有限运行范围内有效。

因此，需要改进燃烧器设计和运行方法。优选地是，这些设计和方法可对燃烧器动力和其频率范围进行限制，以便防止对其造成损坏并且确保充足部件寿命。

发明内容

本发明因此提供一种用于对空气流和燃料流进行燃烧的燃烧器。所述燃烧器可包括：多个燃料喷嘴；其中带有所述空气流的空气路径，所述空气路径通向所述燃料喷嘴；以及歧管，所述歧管定位在所述燃料喷嘴上游处的所述空气路径中。所述歧管可以包括多个共振管。

本发明进一步地提供一种运行燃气涡轮发动机的燃烧器的方法。所述方法可以包括以下步骤：对环境空气流、低氧气流和燃料流进行燃烧；产生燃烧动力；定位双向歧管以使其与所述环境空气流和所述低氧气流连通；围绕所述双向歧管定位多个共振管；以及调整所述共振管大小以便阻尼所述燃烧动力。

本发明进一步地提供一种用于对环境空气流、低氧气流和燃料流进行燃烧的化学计量（stoichiometric）废气再循环燃烧器。所述燃烧器壳包括：多个燃料喷嘴；其中带有所述环境空气流的环境空气路径，所述环境空气路径通向所述燃料喷嘴；其中具有所述低氧气流的低氧再循环入口；以及双向歧管，所述双向歧管与所述环境空气流和/或所述低氧气流连通。所述双向歧管可以包括多个共振管。

当结合若干附图和所附权利要求书而来阅读以下详细描述时，所属领域中的技术人员可以清楚了解本发明和相应专利的这些和其他特征以及优点。

附图说明

图1是燃气涡轮发动机的示意图。

图2是带有可如本说明书所述的双向歧管和多个共振管的燃烧器的侧视截面图。

图3是图2所示燃烧器的一部分的放大侧视截面图，其中示出双向歧管以及共振管。

图4是亥姆霍兹共振器的实例的示意图。

具体实施方式

现在参照附图，其中在若干附图中相似数字是指相似元件，图1示出可如本说明书所述的燃气涡轮发动机10的示意图。燃气涡轮发动机10可包括有压缩机15。压缩机15压缩进入气流20。压缩机15将压缩气流20输送到燃烧器25。燃烧器25将压缩气流20与经加压的燃料流30混合，并且点燃混合物以产生燃烧气流35。尽管示出仅单个燃烧器25，但燃气涡轮发动机10也可包括任何数量的燃烧器25。转而，将燃烧气流35输送到涡轮机40上。燃烧气流35对涡轮机40进行驱动以产生机械功。涡轮机40中产生的机械功经由轴45来驱动压缩机15，并驱动如发电机和相似装置的外部负载50。

燃气涡轮发动机10可以使用天然气、各种类型的合成气和/或其他类型燃料。燃气涡轮发动机10可以是位于纽约斯克内克塔迪的通用电气公司（General ElectricCompany）和相似公司所提供的多种不同的燃气涡轮发动机中的任何一种。燃气涡轮发动机10可具有不同配置并可使用其他类型部件。在本说明书中，也可使用其他类型的燃气涡轮发动机。在本说明书中，也可将多个燃气涡轮发动机、其他类型的涡轮机以及其他类型发电设备一起使用。

图2示出燃烧器25的实例。在这个实例中，化学计量废气再循环（“SEGR”）燃烧器100被示出。本说明书也可使用其他类型的燃烧器。化学计量废气再循环燃烧器100可包括多个燃料喷嘴110，所述燃料喷嘴定位在端盖120内。尽管示出五个（5个）燃料喷嘴110，但在本说明书中也可以使用任何数量燃料喷嘴110。燃料喷嘴110可以经由一个或多个燃料入口130来与燃料流30连通。低氧再循环入口140还可围绕端盖120定位以将低氧气流150提供到燃料喷嘴110上。低氧气流150可以经由化学计量废气回收压缩机（并未示出）和相似装置从涡轮机40进行发送。

化学计量废气再循环燃烧器100还可以包括燃烧内衬160。燃烧内衬160可以在其中限定燃烧区170。导流套筒180可以环绕燃烧内衬160，并且可以针对来自压缩机15的环境空气流20在其中限定环境空气路径190。壳体200可环绕导流套筒180和燃烧内衬160。过渡连接件210可定位在燃烧区170的下游处。

抽气口220可以围绕壳体200定位，并且可以与导流套筒180的环境空气路径190在一个方向上连通、而且与燃料喷嘴110和低氧再循环入口140在另一方向上连通。抽气口220可与涡轮机40和其他装置连通。在喷射模式中，进入气流20沿着环境空气路径190延伸，在所述环境空气路径中，所述进入气流是与低氧气流150和燃料流130在燃料喷嘴110的下游混合并在燃烧区170内燃烧。或者，进入气流20的一部分可以经由抽气口220抽出，同时剩余的流继续流向燃料喷嘴110。在抽气模式下，低氧气流150的一部分也可经由抽气口220抽出。在本说明书中，也可使用其他配置以及其他部件。

端盖120还可包括双向歧管230以便与喷射模式和抽气模式相适，即容纳喷射流进入燃烧器100中或容纳抽气流。双向歧管230在形状上可为大的圆形，并且可以包括圆形空腔240。双向歧管230还可包括多个共振管250，所述共振管在空腔240间延伸、并且延伸朝向环境空气路径190内的导流套筒180。

如图4所示，双向歧管230在很大程度上充当亥姆霍兹共振器260。因此，亥姆霍兹共振器260包括充当主体270的空腔240和充当喉部280的共振管250。大体限定的是，亥姆霍兹共振器260是声室（acoustical chamber），它包括有加压流体以便以具体频率来进行振荡。亥姆霍兹共振器260的几何形状构型直接确定振荡频率。如果流体压力因外力影响而波动，那么共振器260可在调谐到波动频率的情况下对这些波动的幅值进行阻尼。亥姆霍兹共振器260包括主体270和直径小于主体270的喉部280。进入喉部280的加压流体是收集在主体270中，直到主体270内的压力大于外部流体压力。此时，主体270内的流体经由喉部280离开，从而降低主体270内的压力。较低压力诱使流体重新进入主体270，这样，过程即会重复进行。空气周期移动建立亥姆霍兹共振器260的共振频率。

如上所述，亥姆霍兹共振器260的共振频率主要由其几何形状构型确定。确切地说，圆柱形的亥姆霍兹共振器60会产生共振频率“f”，所述共振频率部分基于以下等式：f=c/2Π*√d²/LHD²。在这个等式中，“c”是通过流体（例如，空气、燃料、稀释剂等）中的声速，“d”是喉部280的直径，“L”是喉部280的长度，“H”是主体270的长度，并且“D”是主体270的长度。在这个实例中，主体270的构型、即圆形空腔240，经过固定以使共振频率可以通过改变喉部280（即共振管250）的长度和直径来改变。由此，共振管250可以将大小调整成针对某些频率范围进行阻尼，如对燃烧硬件和歧管230本身最严重的频率范围。在本说明书中，可以使用任何数量的呈任何所需大小、形状或配置的共振管250。在本说明书中，还可一起使用不同配置的共振管250来阻尼不同频率范围。

因此，双向歧管130形成的亥姆霍兹共振器260在本说明书中通过阻尼某些频率范围而来防止高周疲劳。另外，无论双向歧管230是以喷射模式还是抽气模式运行，亥姆霍兹共振器260都提供此类保护。尽管本说明书已经对化学计量废气再循环燃烧器100进行描述，但亥姆霍兹共振器260也会适用其他类型的燃烧器并且适用经受频率振荡和类似情况的其他类型装置。在本说明书中，可以使用单向、双向或多向流。

应当清楚，前述内容仅仅涉及本发明和相应专利的某些实施例。所属领域中的技术人员可以在不背离本发明的总体精神和范围的情况下在本说明书中做出多种变化和修改，其中本发明的总体精神和范围由所附权利要求书和其等效物限定。

Claims (19)

1.一种用于对空气流和燃料流进行燃烧的燃烧器，所述燃烧器包括：

多个燃料喷嘴；

其中具有所述空气流的空气路径，所述空气路径通向所述多个燃料喷嘴；以及

双向歧管，所述双向歧管设在所述多个燃料喷嘴上游处的所述空气路径中；

其中所述双向歧管包括多个共振管，其中所述双向歧管与其中带有低氧气流的低氧再循环入口连通。

2.如权利要求1所述的燃烧器，所述燃烧器为化学计量废气再循环燃烧器。

3.如权利要求1所述的燃烧器，其中所述空气流在第一方向上延伸且所述低氧气流在第二方向上延伸。

4.如权利要求1所述的燃烧器，其中所述空气路径限定在燃烧内衬与导流套筒之间。

5.如权利要求4所述的燃烧器，其中所述空气路径包括抽气口。

6.如权利要求1所述的燃烧器，其进一步包括喷射模式和抽气模式，其中所述双向歧管在喷射模式下和抽气模式下分别容纳喷射流进入燃烧器中和容纳从空气路径进行抽气的抽气流。

7.如权利要求1所述的燃烧器，其中所述双向歧管包括圆形空腔。

8.如权利要求1所述的燃烧器，其中所述双向歧管和所述多个共振管构造成亥姆霍兹共振器。

9.如权利要求8所述的燃烧器，其中所述双向歧管构造成所述亥姆霍兹共振器的主体。

10.如权利要求8所述的燃烧器，其中所述多个共振管构造成所述亥姆霍兹共振器的喉部。

11.如权利要求8所述的燃烧器，其中所述亥姆霍兹共振器对从其中通过的振荡进行阻尼。

12.如权利要求1所述的燃烧器，其中所述多个共振管各自具有长度和直径。

13.如权利要求12所述的燃烧器，其中所述多个共振管各自具有与所述燃烧器的频率对应的预定长度和预定直径。

14.一种用于运行燃气涡轮发动机的燃烧器的方法，所述方法包括：

对环境空气流、低氧气流和燃料流进行燃烧；

产生燃烧动力；

设置双向歧管以与所述环境空气流和所述低氧气流连通；

围绕所述双向歧管设置多个共振管；以及

调整所述多个共振管以便阻尼所述燃烧动力。

15.一种用于对环境空气流、低氧气流和燃料流进行燃烧的化学计量废气再循环燃烧器，所述化学计量废气再循环燃烧器包括：

多个燃料喷嘴；

其中具有所述环境空气流的环境空气路径，所述环境空气路径通向所述多个燃料喷嘴；

其中带有所述低氧气流的低氧再循环入口；以及

双向歧管，所述双向歧管与所述环境空气流和所述低氧气流连通；

其中所述双向歧管包括多个共振管。

16.如权利要求15所述的化学计量废气再循环燃烧器，其中所述双向歧管包括在第一方向上延伸的所述环境空气流和在第二方向上延伸的所述低氧气流。

17.如权利要求15所述的化学计量废气再循环燃烧器，其进一步包括喷射模式和抽气模式，其中所述双向歧管在喷射模式下和抽气模式下分别容纳喷射流进入燃烧器中和容纳从环境空气路径进行抽气的抽气流。

18.如权利要求15所述的化学计量废气再循环燃烧器，其中所述双向歧管和所述多个共振管构造成亥姆霍兹共振器。

19.如权利要求15所述的化学计量废气再循环燃烧器，其中所述多个共振管各自具有与所述燃烧器的频率对应的预定长度和预定直径。