CN103842727A - 用于衰减低频动力的燃烧器帽 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种用于与若干燃料喷嘴(130,140)一起使用的燃烧器帽(110)。燃烧器帽可包括冷侧板(160)、热侧板(150)、以及在冷侧板与热侧板之间延伸的帽腔(170)，其中若干燃料喷嘴延伸穿过该处。共振器管(180)可从冷侧板延伸至帽腔中。

Description

用于衰减低频动力的燃烧器帽
技术领域
本申请和所得的专利大体上涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及用于燃气涡轮发动机的燃烧器，其具有用于衰减其中的低频动力的用作亥姆霍兹型共振器的燃烧器帽(combustor cap)。
背景技术
总体而言，燃气涡轮发动机燃烧压缩空气和压缩燃料的混合物来产生热燃烧气体。热燃烧气体可用于提供有用的机械功，且驱动不同类型的负载。燃烧可出现在沿径向围绕燃气涡轮发动机的纵轴线定位的多个燃烧器中。由于燃烧过程的湍流性质和封闭的腔中释放的大量能量，故此类燃烧器可能易受宽范围的频率和较大等级的不稳定压力振荡影响。如果一个燃烧频带对应于燃烧涡轮发动机内的部分或子***的自然频率，则可产生对该部分或对整个发动机的损坏。
用以抑制在本文中称为"动力"的这些压力振荡的已知方法传统上已集中于使激励源与反馈机构断开。此类抑制手段大体上仅在有限的燃烧器操作范围内有效。由于可能需要具有相对较大尺寸的共振器，故衰减低频动力尤其是困难的设计问题。取决于共振器的位置，还可能需要附加的冷却。
因此，期望改善燃烧器设计和操作方法。作为优选，这些设计和方法可限制燃烧器的动力及其频率范围，以便防止对燃烧器的损坏，且确保充足的构件寿命。衰减的低频动力还应提供总体提高的可靠性。此外，更接近燃烧器的喷嘴之间的均匀燃料分流的操作在没有动力的情况下是可能的，以便提供降低的氮氧化物等的总体排放。
发明内容
因此，本申请和所得的专利提供一种用于与若干燃料喷嘴一起使用的燃烧器帽。燃烧器帽可包括冷侧板、热侧板，以及在冷侧板与热侧板之间延伸的帽腔，其中若干燃料喷嘴延伸穿过该处。共振器管可从冷侧板延伸至帽腔中。
本申请和所得的专利还提供了一种操作燃气涡轮发动机的燃烧器的方法。该方法可包括以下步骤：燃烧空气流和燃料流、产生燃烧动力、确定一个或多个共振器管的尺寸来衰减燃烧动力，以及将一个或多个共振器管定位在燃烧器帽的冷侧板。
本申请和所得的专利还提供了一种用于燃气涡轮发动机的燃烧器。燃烧器可包括：若干燃料喷嘴；燃烧器帽，其中燃料喷嘴定位于该处；以及定位在燃烧器帽的冷侧板周围的若干共振器管。
当在连同若干附图和所附权利要求时回顾以下详细描述时，本申请和所得的专利的这些及其它特征和改善将对于本领域的普通技术人员变得清楚。
附图说明
图1为燃气涡轮发动机的简图。
图2为可与图1中的燃气涡轮发动机一起使用的燃烧器的侧视图。
图3为如本文可描述的燃烧器帽的侧部截面视图。
图4为作为亥姆霍兹共振器的图3的燃烧器帽的简图。
具体实施方式
现在参看附图，其中相似的标号始终表示若干视图中的相似元件，图1示出了如可在这里使用的燃气涡轮发动机10的简图。燃气涡轮发动机10可包括压缩机15。压缩机15包括进入的空气流20。压缩机15将压缩的空气流20输送至燃烧器25。燃烧器25使压缩的空气流20与压缩的燃料流30相混合，且点燃混合物来产生燃烧气流35。尽管仅示出了单个燃烧器25，但燃气涡轮发动机10可包括任何数目的燃烧器25。燃烧气流35继而又输送至涡轮40。燃烧气流35驱动涡轮40以便产生机械功。在涡轮40中产生的机械功通过轴45来驱动压缩机15，且驱动外部负载50，如发电机等。
燃气涡轮发动机10可使用天然气、各种类型的合成气和/或其它类型的燃料。燃气涡轮发动机10可为由General Electric公司(Schenectady, New York)等提供的若干不同燃气涡轮发动机中的任一者。燃气涡轮发动机10可具有不同构造，且可使用其它类型的构件。本文中还可使用其它类型的燃气涡轮发动机。多个燃气涡轮发动机、其它类型的涡轮、以及其它类型的发电设备也可在这里一起使用。
图2示出了燃烧器25的示例。在该示例中，燃烧器可为干式低NOx(DLN)类型的燃烧器，如，由General Electric公司(Schenectady, New York)提供的DLN2.6燃烧器。这里可使用其它类型的燃烧器25。燃烧器25可包括定位在燃烧器帽60内的若干燃料喷嘴55。在该示例中，燃烧器25可包括五(5)个外燃料喷嘴和更小的中心燃料喷嘴。还可使用若干四级燃料栓。燃料喷嘴55可经由一个或多个燃料入口65与燃料流30连通。燃烧器帽60可具有在其中的若干穿孔，以用于将空气流20的一部分用作冷却流。燃烧器25还可包括燃烧室70，在其一端处具有燃烧喷嘴55。进入空气通路75可被限定在燃烧室70的衬套80与外壳85之间。过渡件90可定位在燃烧室70的下游。这里可使用其它类型的燃烧器构造和其它构件。
空气流可从压缩机15经由进入空气通路75进入燃烧器25中。然后，空气流20可反向来用于在燃料喷嘴55周围与燃料流30混合。在气体燃料操作的情况下，空气流20和燃料流30在燃料喷嘴内混合。在液体燃料操作的情况下，液体燃料30直接地供应至燃烧室70中。在任一情况下，混合的空气流20和燃料流30均可在燃烧室70内燃烧。然后，燃烧气流35可经过过渡件90朝涡轮40排放来产生有用功。燃烧器25可使用可为燃料气体的主燃料；可为预混燃料气体的二级燃料和三级燃料；以及可仅将少量燃料喷射到燃料喷嘴55上游的贫预喷嘴燃料喷射***。这里可使用其它类型的燃料回路和其它燃烧器构造。
图3示出了可如本文可描述的燃烧器100的一部分。具体而言，燃烧器100包括燃烧器帽110，其中若干燃料喷嘴120延伸穿过该处。如图所示，这里可使用五(5)个外燃料喷嘴130和一(1)个内燃料喷嘴140。这里可使用任何数目或构造的燃料喷嘴120。燃烧器帽110还可包括面对燃烧室70的热侧板150，以及在相对侧上且经由空气通路75而与反向空气流20连通的冷侧板160。帽腔170可在热侧板150与冷侧板160之间延伸，其中燃料喷嘴120延伸穿过该处。这里可使用其它构件和其它构造。
燃烧器帽110还可包括若干共振器管180。各个共振器管180均可具有定位在冷侧板160周围的入口190，以及终止于帽腔170内的出口200。共振器管180可定位在各个外燃料喷嘴130之间。因此，该示例中可使用五(5)个共振器管180。这里可使用任何数目的共振器管180。同样，各个共振器管180的尺寸、形状、构造均可变化。变化构造的共振器管180也可在相同燃烧器帽110内。共振器管180还可定位在燃烧器帽110周围的其它位置。若干径向挡板可用于如期望那样分隔帽腔。
如图4中所示，因此，燃烧器帽110用作亥姆霍兹共振器210。亥姆霍兹共振器210包括用作本体220的帽腔170和用作喉部230的共振器管180。大体限定的是，亥姆霍兹共振器210为声学室，其引起加压流体以特定频率振荡。亥姆霍兹共振器210的几何构造直接地确定振荡频率。如果流体压力由于外力的影响而波动，则如果调到那些波动的频率，则共振器210可衰减波动的等级。因此，亥姆霍兹共振器210包括本体220和具有小于本体220的直径的喉部230。进入喉部230的加压流体收集在本体220中，直到本体220内的压力变为大于外部流体压力。在该点，本体220内的流体经由喉部230离开，从而降低了本体220内的压力。更低本体压力引起流体再进入本体220中，使得过程重复。空气的循环移动建立了亥姆霍兹共振器210的共振频率。
如上文所述，亥姆霍兹共振器210的共振频率主要由其几何构造确定。具体而言，圆柱形亥姆霍兹共振器210部分地基于以下等式产生共振频率"f"：f = c/2Π * √d2 /LHD2。在该等式中，"c"为穿过流体(例如，空气、燃料、稀释剂等)的声速，"d"为喉部230的直径，"L"为喉部230的长度，"H"为本体220的长度，且"D"为本体220的直径。在该示例中，本体220(即，帽腔170)的构造固定，使得共振频率可通过改变喉部230(即，共振器管180)的长度和直径来改变。因此，共振器管180的尺寸可确定为衰减某些频率范围，如，对于燃烧硬件最剧烈的那些。这里可使用处于任何期望尺寸、形状或构造的任何数目的共振器管180。不同构造的共振器管180也可在这里一起使用，以便衰减不同的频率范围。因此，本文使用的共振器管180可设计成以便衰减更低频率范围，尽管这里可针对任何频率或频率范围。例如，具有大约170Hz的自然频率范围的共振器210可用于衰减从大约80Hz至大约400Hz的振荡。
在冷侧板160周围的亥姆霍兹共振器210的定位可比定位在热侧板150周围更有效。具体而言，冷侧板160周围的空气流20相比于面对燃烧室70的热侧板150可具有更高的密度和更低的声速。此外，在冷侧板周围160定位亥姆霍兹共振器210不需要任何进一步和/或不同的冷却方案。相反，这里可使用现有的燃烧器帽110的构造。共振器管180可焊接到冷侧板160上，且/或另外附接。这里可在减小的动力的情况下使用更接近均匀燃料分流的燃烧操作，以便提供氮氧化物等的总体更低排放。
共振器管180还可将空气流20提供到帽腔170中，以便向热侧板150提供冷却。因此，共振器管180的直径可根据期望的冷却流而变化。因此，共振器管180相比于这里小穿孔的使用而可更有效地提供冷却。
应当清楚的是，前述内容仅涉及本申请和所得的专利的某些实施例。本领域的普通技术人员可在不脱离由所附权利要求及其等同物限定的本发明的总体精神和范围的情况下在这里制作出许多变化和改型。

Claims (20)

1. 一种用于与若干燃料喷嘴一起使用的燃烧器帽，包括：
冷侧板；
热侧板；
在所述冷侧板与所述热侧板之间延伸的帽腔，其中所述若干燃料喷嘴延伸穿过该处；以及
从所述冷侧板延伸至所述帽腔中的共振器管。
2. 根据权利要求1所述的燃烧器帽，其特征在于，所述共振器管包括定位在所述冷侧板周围的入口和定位在所述帽腔内的出口。
3. 根据权利要求1所述的燃烧器帽，其特征在于，所述燃烧器帽还包括多个共振器管。
4. 根据权利要求3所述的燃烧器帽，其特征在于，所述若干燃料喷嘴包括若干外燃料喷嘴，其中所述外燃料喷嘴的数目包括第一数目，且其中所述多个共振器管包括所述第一数目的若干共振器管。
5. 根据权利要求4所述的燃烧器帽，其特征在于，所述若干共振器管中的一个定位在所述若干外燃料喷嘴中的一对之间。
6. 根据权利要求3所述的燃烧器帽，其特征在于，所述若干燃料喷嘴包括若干外燃料喷嘴，其中所述外燃料喷嘴的数目为五(5)，且其中所述多个共振器管包括五(5)个共振器管。
7. 根据权利要求3所述的燃烧器帽，其特征在于，所述多个共振器管包括多个不同尺寸的共振器管。
8. 根据权利要求1所述的燃烧器帽，其特征在于，所述帽腔和所述共振器管包括亥姆霍兹共振器。
9. 根据权利要求8所述的燃烧器帽，其特征在于，所述帽腔包括所述亥姆霍兹共振器的本体。
10. 根据权利要求8所述的燃烧器帽，其特征在于，所述共振器管包括所述亥姆霍兹共振器的喉部。
11. 根据权利要求8所述的燃烧器帽，其特征在于，所述亥姆霍兹共振器衰减经过该处的振荡。
12. 根据权利要求8所述的燃烧器帽，其特征在于，所述燃烧器帽还包括多个共振器管，且其中所述多个共振器管中的各个均包括预定长度和预定直径。
13. 根据权利要求12所述的燃烧器帽，其特征在于，所述预定长度和所述预定直径对应于燃烧频率。
14. 根据权利要求8所述的燃烧器帽，其特征在于，所述燃烧器帽还包括多个亥姆霍兹共振器。
15. 一种操作燃气涡轮发动机的燃烧器的方法，包括：
燃烧空气流和燃料流；
产生燃烧动力；
确定一个或多个共振器管的尺寸以衰减所述燃烧动力；以及
将所述一个或多个共振器管定位在燃烧器帽的冷侧板。
16. 一种用于燃气涡轮发动机的燃烧器，包括：
多个燃料喷嘴；
燃烧器帽，其中所述多个燃料喷嘴定位于该处；以及
定位在所述燃烧器帽的冷侧板周围的多个共振器管。
17. 根据权利要求16所述的燃烧器，其特征在于，所述多个共振器管包括多个不同尺寸的共振器管。
18. 根据权利要求16所述的燃烧器，其特征在于，所述多个共振器管从所述冷侧板延伸至所述燃烧器帽的帽腔中。
19. 根据权利要求18所述的燃烧器，其特征在于，所述帽腔和所述多个共振器管包括亥姆霍兹共振器以衰减经过该处的振荡。
20. 根据权利要求19所述的燃烧器，其特征在于，所述多个共振器管包括所述亥姆霍兹共振器的喉部。
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