CN105431684B - 用于燃气涡轮阻尼谐振器的冷却盖件 - Google Patents

用于燃气涡轮阻尼谐振器的冷却盖件 Download PDF

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Abstract

盖件(54、54A‑B)以一间隙(65)围绕在燃气涡轮部件(28)的工作气体路径衬垫(22)上的声学阻尼谐振器(24)。该盖件包括冷却剂入口室(56、56B)，其具有比谐振器的顶壁(32)更接近于衬垫的顶壁(58、58B)，并且相对于工作气流(48)从谐振器向上游延伸。压缩空气(26)以比工作气体更高的压力环绕盖件并且流动(44)到冷却剂入口室中并穿过冷却剂入口室，随后穿过谐振器中的孔(34)，随后通过衬垫的孔(38)离开到工作气体中。冷却剂入口室在谐振器的上游壁(40)的焊点(50)之上引导压缩空气的流动以冷却它。该盖件可以作为箱(57)或套筒(69)而被形成。

Description

用于燃气涡轮阻尼谐振器的冷却盖件
技术领域
本发明涉及用于诸如燃烧器衬垫和过渡管道之类的燃气涡轮机部件的阻尼谐振器，特别涉及用于这样的谐振器的连接焊点的操作冷却的盖件。
背景技术
声学阻尼谐振器已经在燃气涡轮发动机中使用以在发动机的操作期间抑制不想要的声学频率。它们可被称为亥姆霍兹(Helmholtz)谐振器或高频动态(HFD)阻尼谐振器。在美国专利6,530,221中公开了各种示例。这样的谐振器包括由壁所包围的腔体，该壁可被焊接到诸如燃烧器衬垫之类的部件。壁可以具有用于冷却空气以净化腔体的孔。这防止经由工作气体的腔体污染，并且冷却了谐振器壁以及燃烧器衬垫。冷却空气穿过谐振器壁，撞击在燃烧器衬垫上，并且随后穿过燃烧器衬垫中的孔进入燃烧室中，进一步冷却衬垫。在燃烧器衬垫中的孔因而不仅工作以穿过声学能量，也用来净化谐振器腔体及冷却衬垫。
谐振器的高度是用于抑制的频率的主要驱动因素。在较高的谐振器中，撞击冷却较不有效，因为冷却空气有更多机会在撞击在热表面上之前分散。谐振器优选位于最高热释放的区域，其将在谐振器以下的燃烧器衬垫暴露到高温，也将它们的连接焊点经由穿过衬垫的热传导而暴露到高温。因而，存在用于在谐振器以下的撞击冷却的需要，但这样的冷却在谐振器高度较大时被减弱。进而，相对于燃烧气流的上游焊点并不得益于来自衬垫中的孔的下游的气膜冷却效应。
附图说明
本发明根据附图在以下描述中进行解释，该幅图示出了：
图1是现有的燃气涡轮燃烧器组件的示意图；
图2是沿着图1的线2-2获得的截面图。
图3是沿着图1的线3-3获得的现有谐振器的侧截面图。
图4是图示了本发明的实施例的各个方面的在冷却装置中具有盖件的谐振器的侧截面图。
图5是示出了第二实施例的各个方面的侧截面图。
图6是示出了第三实施例的各个方面的侧截面图。
图7是示出了第四实施例的各个方面的侧截面图。
图8是示出了第五实施例的各个方面的侧截面图。
图9是在第六实施例中的一个盖件之下的两个谐振器的侧截面图。
图10是如图2中所示的燃气涡轮燃烧器组件的横截面图，但其中谐振器盖件在谐振器的圆形阵列之上。
具体实施方式
图1示出了现有技术的燃烧器组件20，其具有围绕燃烧腔体28的燃烧器衬垫22，在衬垫上的阻尼谐振器24的圆形阵列，以及压缩空气集气室26。用于这样的谐振器的另一位置是在燃烧器组件20与涡轮之间的过渡管道23上，或者在衬有工作气流路径的其它发动机部件上。
图2是通过谐振器24的图1的线2-2获得的图1的燃烧器衬垫22的横截面图。衬垫22围绕燃烧室28，该燃烧室28通常可以围绕轴线30是圆柱形的。每个谐振器24具有顶壁32和底壁36和在顶壁与底壁之间的侧壁39，该顶壁32具有冷却剂入口孔34，该底壁36具有用于使冷却剂从谐振腔体离开的冷却孔38。底壁36由约束工作气流48的压缩器衬垫22形成，尽管在此为了清楚起见示出的是处于漩涡，该工作气流48通常在轴向上流动。出口冷却孔38可以用于三个功能。1)有助于腔体42中的谐振；2)作为冷却剂出口；3)用于衬垫22的渗出(effusion)/气膜冷却(film cooling)。空气集气室26接受来自涡轮压缩器(未示出)的压缩空气。该空气44中的一些进入每个谐振器的顶壁32中的冷却剂入口孔34，随后退出46到燃烧腔体28中，提供衬垫22的内表面的渗出/气膜冷却。
图3是沿着图1的线3-3获得的谐振器24的侧截面图。当流过衬垫22中的冷却孔38的工作气体48中存在压力波动时在每个腔体42中发生声学振动。这些振动由诸如亥姆霍兹谐振和/或冯卡门(von Karman)振荡之类的流体动力学机构激发。谐振器由其几何形状、尺寸和位置被调谐，使得其消除燃烧器中的不想要的频率或其附带的其它成分。用于设计和调谐阻尼谐振器的方法和公式在此并不详细解释。在下游或后壁41上的下游焊点52通过气膜冷却46被冷却；然而，在谐振器的上游或前壁40上的上游焊点50并不如此冷却，因而可经受更高的热应力。
图4是根据本申请的各个方面的具有盖件54A的谐振器24的截面图。外壳包括撞击箱57，其相对于工作气流48从盖件向上游延伸并且从谐振器24向上游延伸，形成冷却剂入口室56。撞击箱的顶壁58具有撞击冷却入口孔60-62。谐振器24的顶壁32定义了谐振器的高度。撞击箱57的顶壁58可以比谐振器的顶壁32更接近于燃烧器衬垫22，并且距离可以被选择为优化撞击冷却效应而不会不利地影响谐振器性能。可足够近地提供冷却空气44对衬垫22的直接撞击。在本文中，“直接撞击”意为一些冷却空气44击中衬垫22和/或焊点50。在冷却剂入口室56中的撞击冷却在该方面比进入谐振器腔体42的冷却空气45更有效。撞击冷却孔的前子集61可以足够接近于撞击箱的上游壁59以通过利用撞击和/或气膜冷却而冷却上游壁59和/或通过接近上游壁59的衬垫22的撞击/对流冷却从而冷却其上游焊点64。上游焊点64可以通过被定位在衬垫22的最大热区域(通常在谐振器24的直接下方)的上游而被进一步热保护。撞击冷却孔的后子集62可以成一定角度以引导冷却空气44对着谐振器24的上游焊点50或接近它。盖件54A以足够的间隙65包围谐振器腔体壁32、40、41以促进冷却剂从冷却剂入口室56流到谐振器中的顶孔34。在操作期间，在该间隙65中的空气具有与在集气室26中的气压相比减小的压力，如以下所述。
图5示出了具有向着撞击箱57的上游壁59成一定角度的前撞击冷却孔61的盖件实施例54B，因而提供了其接近焊点64的撞击/气膜冷却。图6示出了具有与撞击箱57的上游壁59的内表面对齐的前撞击冷却孔61的盖件实施例54C，因而提供了其随后撞击在接近于上游壁59的衬垫22上的气膜冷却。
图7示出了仅具有前撞击冷却孔61和后撞击冷却孔62的谐振器盖件实施例54D。前孔61冷却上游壁59，同时后孔62冷却谐振器的上游焊点50。该实施例和其它实施例可以在盖件54D上的其它地方具有附加的冷却剂入口孔66以将比从冷却剂入口室56离开的空气更冷的空气提供进入盖件与谐振器之间的间隙65。冷却剂的量可以经由撞击箱中的入口孔与在盖件上其它地方的孔的相对面积而在衬垫和焊点的上游与下游区域之间分摊。这与没有附加入口孔66的盖件相比可以改进在衬垫和焊点之上的冷却均匀性。
图8示出了盖件实施例54E，其中对流冷却套筒69从盖件向上游延伸，具有开放上游端70。该套筒的顶壁58B比谐振器24的顶壁32更接近于衬垫24。这形成了冷却剂输入室56B，其沿着衬垫并且对着焊点50加速压缩空气44，通过强制对流而冷却谐振器的上游焊点50和衬垫。冷却剂入口室56、56A通过直接撞击和/或通过强制对流而加速冷却剂接近及对着谐振器24的上游焊点50的流动。
图9示出了覆盖两行谐振器24A、24B的盖件实施例54F。本文的任何冷却剂入口室可以设置有这样的多行谐振器盖件。可选的气膜冷却出口71被示出从冷却剂入口室56通过衬垫22以进一步冷却上游衬垫和焊点50。图9图示了没有直接对着焊点50的撞击冷却的实施例。
图10示出了表示本文的任意实施例的具有谐振器盖件54的如图2中的横截面图，该盖件54在谐振器24的圆形阵列上周向地延伸。可替代地，谐振器盖件可以针对每个谐振器分别提供或者谐振器的任何子集提供。
谐振器盖件54A-F可以是气密的，除了冷却剂入口孔60-62和66，或者套筒入口70，使得进入盖件的所有压缩空气44进入45谐振器，并随后通过衬垫中的冷却孔38离开46。入口孔或套筒入口区域可以被设计为测量来自空气集气室26的气流44。在谐振器盖件与谐振器之间的间隙65中减小的压力保存冷却剂空气并且增大发动机效率同时优化冷却。具有减小的压力，在谐振器中的入口和出口冷却孔34、38可以被放大而不会浪费压缩空气。这可以改进谐振器腔体42以内的衬垫22的撞击冷却，由于撞击距离与孔34的直径的比率，因而改进衬垫冷却。扩大衬垫的冷却孔38可以改进声学性能。本文的谐振器盖件可以利用现有的谐振器设计而被使用，在一些情况下做出或不做出谐振器的修改，或者是在原始的制造中或者是通过翻新。
虽然本发明的各种实施例已在本文中示出和描述，但是很明显，这些实施例仅通过示例的方式提供。许多变化、改变和替换可以做出而不脱离本发明。因此，其意图是，本发明仅由所附权利要求书的精神和范围所限制。

Claims (20)

1.一种阻尼谐振器冷却装置，包括：
声学阻尼谐振器，所述声学阻尼谐振器被焊接到约束涡轮工作气体的流动路径的衬垫，所述声学阻尼谐振器包括由谐振器壁围成的谐振器腔；
盖件，所述盖件包围所述谐振器并且提供在所述盖件与所述谐振器之间的气流间隙；以及
所述盖件的一部分形成冷却剂入口室，所述冷却剂入口室相对于所述流动路径内的所述涡轮工作气体的流动方向在所述谐振器壁中的谐振器上游壁的上游；
其中当压缩空气以比所述涡轮工作气体的压力更高的压力环绕所述盖件时，所述压缩空气通过所述冷却剂入口室的入口进入所述冷却剂入口室，并且流经所述谐振器上游壁的被焊接到所述衬垫的上游焊点。
2.根据权利要求1所述的冷却装置，其中所述冷却剂入口室由撞击箱形成，所述撞击箱包括冷却剂入口室顶壁，所述冷却剂入口室顶壁具有成角度的撞击孔以引导所述压缩空气对着所述谐振器上游壁的所述上游焊点流动。
3.根据权利要求1所述的冷却装置，其中所述谐振器包括：
所述谐振器壁中的谐振器顶壁，所述谐振器顶壁与所述衬垫分开第一高度；
谐振器空气入口孔，所述谐振器空气入口孔在所述谐振器顶壁中；
谐振器空气出口孔，所述谐振器空气出口孔从所述谐振腔体穿过所述衬垫；并且
其中所述冷却剂入口室由撞击箱形成，所述撞击箱包括：
撞击箱顶壁，所述撞击箱顶壁与所述衬垫分开小于所述第一高度的第二高度；以及
撞击入口孔，所述撞击入口孔在所述撞击箱顶壁中。
4.根据权利要求3所述的冷却装置，其中所述撞击箱顶壁中的所述撞击入口孔中的至少一些撞击入口孔提供在所述冷却剂入口室以内所述压缩空气对着所述衬垫的直接撞击。
5.根据权利要求3所述的冷却装置，其中所述撞击箱顶壁中的所述撞击入口孔的至少后子集提供所述压缩空气对着所述谐振器上游壁的所述上游焊点的直接撞击。
6.根据权利要求3所述的冷却装置，其中所述撞击箱顶壁中的所述撞击入口孔的前子集提供所述压缩空气对着所述撞击箱的撞击箱上游壁的直接撞击。
7.根据权利要求3所述的冷却装置，其中所述撞击箱顶壁中的所述撞击入口孔的前子集与所述撞击箱的所述撞击箱上游壁的内表面对齐，并且沿着所述撞击箱上游壁提供气膜冷却。
8.根据权利要求3所述的冷却装置，其中所述撞击箱顶壁中的所述撞击入口孔的前子集对着或沿着所述撞击箱上游壁的内表面引导所述压缩空气，并且所述撞击箱顶壁中的所述撞击入口孔的后子集提供所述压缩空气对着所述谐振器上游壁的所述上游焊点的直接撞击。
9.根据权利要求3所述的冷却装置，其中流过所述谐振器上游壁的所述上游焊点的空气继续流入所述盖件和所述谐振器之间的所述气流间隙并且所述盖件进一步包括不在所述撞击箱上的入口孔，所述入口孔准许压缩空气到所述盖件与所述谐振器之间的所述气流间隙中的附加流动。
10.根据权利要求1所述的冷却装置，其中所述冷却剂入口室被形成在对流冷却套筒与所述衬垫之间，其中所述冷却套筒包括开放上游端和冷却套筒顶壁，所述冷却套筒顶壁比所述谐振器壁中的所述谐振器顶壁更接近于所述衬垫。
11.根据权利要求1所述的冷却装置，其中所述压缩空气以比所述盖件与所述谐振器之间的所述气流间隙以内的空气更高的压力环绕所述盖件。
12.一种用于燃气涡轮部件的阻尼谐振器冷却装置，包括：
所述部件的衬垫，所述衬垫约束燃气涡轮的工作气体的流动路径，
阻尼谐振器，所述阻尼谐振器包括由被焊接到所述部件的所述衬垫的谐振器壁围成的谐振器腔；
所述谐振器壁中的谐振器顶壁，与所述衬垫分开第一高度；
空气入口孔，所述空气入口孔在所述谐振器顶壁中；
空气出口孔，所述空气出口孔从所述谐振器穿过所述衬垫；
盖件，所述盖件包围所述谐振器，其中在所述盖件与所述谐振器之间有气流间隙；以及
所述盖件的一部分相对于所述衬垫以内的所述工作气体的流动方向在所述谐振器壁中的谐振器上游壁的上游延伸，所述盖件的一部分形成冷却剂入口室，所述冷却剂入口室包括与所述衬垫分开小于所述第一高度的冷却剂入口室顶壁；
其中当压缩空气以比所述衬垫以内的所述工作气体的压力更高的压力环绕所述盖件时，所述冷却剂入口室加速所述压缩空气在所述谐振器上游壁的被焊接到所述衬垫的焊点之上的流动。
13.根据权利要求12所述的冷却装置，其中所述冷却剂入口室顶壁包括撞击入口孔，所述撞击入口孔提供所述压缩空气到所述谐振器的所述衬垫上游上的直接撞击。
14.根据权利要求12所述的冷却装置，其中所述冷却剂入口室顶壁包括入口孔，所述入口孔沿着或对着所述冷却剂入口室的前壁引导所述压缩空气的流动。
15.根据权利要求12所述的冷却装置，进一步包括用于在所述冷却剂入口室顶壁中的所述压缩空气的撞击冷却入口孔，以及在远离所述冷却剂入口室的所述盖件中的其它压缩空气入口孔。
16.根据权利要求12所述的冷却装置，其中所述冷却剂入口室顶壁包括具有开放上游端的对流冷却套筒。
17.根据权利要求12所述的冷却装置，其中环绕所述盖件的所述压缩空气具有比所述盖件与所述谐振器之间的所述气流间隙以内的空气更高的压力。
18.一种阻尼谐振器冷却装置，包括：
衬垫，所述衬垫约束燃气涡轮部件中的工作气体的流动；
振动阻尼谐振器，所述振动阻尼谐振器包括由焊接到所述衬垫的谐振器壁围成的谐振器腔；
盖件，所述盖件包围所述振动阻尼谐振器并且提供在所述盖件与所述谐振器之间的气流间隙；
冷却剂入口室，所述冷却剂入口室连接到所述盖件并且相对于由所述衬垫约束的所述工作气体的流动方向在所述谐振器壁中的谐振器上游壁的上游并且从所述盖件向上游延伸；
其中所述冷却剂入口室被焊接至所述衬垫 ，并且所述冷却剂入口室的顶壁比所述谐振器的顶壁更接近于所述衬垫；并且
其中所述冷却剂入口室被配置为接受以比所述工作气体更高压力环绕所述盖件的压缩气体，并且加速在所述谐振器上游壁的被焊接到所述衬垫的上游焊点之上的所述压缩气体。
19.根据权利要求18所述的冷却装置，进一步包括在所述冷却剂入口室的所述顶壁中的撞击入口孔，所述撞击入口孔被配置为提供通过所述压缩气体在所述衬垫上的直接撞击冷却。
20.根据权利要求18所述的冷却装置，其中所述冷却剂入口室包括具有开放上游端的流动套筒，其中所述流动套筒被配置为提供通过所述压缩气体在所述衬垫上的强迫对流冷却。
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