CN1320312C - 动态上不相关的筒式燃烧室 - Google Patents

Abstract

在筒式燃烧室(18)中产生各自燃烧气流(24)。该气流向下游输送到环形涡轮喷嘴(26)中。并且在该筒和喷嘴之间的轴向上抑制周向相邻的燃烧气流的动态相互作用。

Description

动态上不相关的筒式燃烧室

技术领域

本发明总体涉及气体涡轮发动机，本发明尤其涉及其中的燃烧室。

背景技术

在气体涡轮发动机中，空气在压缩机中加压并在燃烧室中与燃料混合以便产生向下游流动通过从中吸取能量的涡轮级的热燃烧气体。高压涡轮在该燃烧室之后并吸取能量以便为压缩机供能。并且，低压涡轮在该高压涡轮之后并吸取另外的能量以便为例如在示例性实施例中的发电机的外部负载供能。

大型工业发电气体涡轮发动机通常包括筒式燃烧室，该燃烧室具有一排独立的燃烧筒，其中分开产生燃烧气体，并总的排放到公用的高压涡轮喷嘴以便重新引导到涡轮转子叶片的第一级中。每个燃烧筒通常是圆柱形，并具有构造成将流路从圆形改变成环带的相应弧形部分的后过渡部段或部件。以此方式，该排筒具有相互连接的弧形出口，该出口在限定用于将燃烧气体排入该公用的涡轮喷嘴内的分段环带的公共平面处周向相互邻近。

每个燃烧筒具有与燃烧气体接触的相应燃烧室衬里，其中该衬里的上游拱形端具有多个预混合器，燃料注射到该预混合器中并与空气混合以便形成经受燃烧的燃料和空气混合物。每个筒独立于其他筒产生相应的燃烧气体流，多条气流总的排入该公用涡轮喷嘴。

燃烧室性能的重要设计对象是其动态操作。该燃烧气体在每个筒内具有相应的静压力以及与响应的不同动态模式相关联的动态压力响应。燃烧室通常设计成减少不希望的共振动态响应，该共振动态响应可导致燃烧室疲劳损坏并不利地影响燃烧室性能。

由于该筒式燃烧室是独立和离散的部件，每个燃烧室各自产生燃烧气流，该筒的静态和动态操作在燃烧室的出口端以及公用涡轮喷嘴的入口端相互关联。

通常，涡轮喷嘴叶片的前边缘从燃烧筒的出口端向后隔开以便提供公用环带，其中多条气流开始排入该喷嘴。以此方式，可以通过公用环带减少或消除筒与筒之间静态压力差，从而改进该发动机的性能。

但是，该公用环带提供用于在相邻筒之间动态相互作用的机构，该机构可导致不希望的模态共振。更特别是，在筒式燃烧室中公知有两个不同类型的燃烧动态模式。在动态响应的推拉模式中，相邻筒内的动态压力可以是异相的；并且在动态响应的推推模式中，动态压力可以是同相的。这些动态模式以特定频率出现，其中共振模式具有高的动态压力幅值，并且非共振模式具有小的压力幅值或没有压力幅值或影响。

通常，动态响应的推拉模式产生更高的压力幅值，并且因此可导致燃烧室的疲劳损坏并不利地影响其性能。因此，动态响应的推推模式在筒之间具有小的相互作用，并不使得燃烧室疲劳损坏或不利地影响其性能。

因此，希望提供一种改进的筒式燃烧室，其中减少或消除动态响应的推拉模式，以便改进燃烧室的性能并相应地降低疲劳损坏。

发明内容

在筒式燃烧室中产生各自的燃烧气流。该气流向下流入环形涡轮喷嘴。并且在筒和喷嘴之间的轴向上抑制周向相邻的燃烧气流的动态相互作用。

附图说明

按照优选和示例性实施例，本发明及其另外的目的和优点更特别地描述在与附图相结合的详细描述中。附图中：

图1是具有按照本发明示例性实施例的筒式燃烧室的工业发电气体涡轮发动机的示意轴向截面图；

图2是将燃烧气流排入下游环形涡轮喷嘴的图1所示筒式燃烧室之一的示意轴向截面图；

图3是沿线3-3截取的图1所示筒式燃烧室的从后到前的径向截面图；

图4是按照本发明可选择实施例的图1所述高压涡轮喷嘴的放大轴向截面图；

图5是通过筒式燃烧室的出口处的图4所述涡轮喷嘴并沿线5-5截取的平面截面图；

图6类似图5的按照本发明可选择实施例的涡轮喷嘴的平面图。

具体实施方式

图1示意所示的是工业发电气体涡轮发动机10，在示例性实施例中它构造成驱动发电机12。该发动机包括构造成压缩空气16的多级轴向压缩机14。

布置在该压缩机下游的是适于接收来自该压缩机的压缩空气的环形筒式燃烧室18。包括相应燃料注射器的常规装置20设置用来注射例如天然气的燃料22到燃烧室内以便与压缩空气混合，并点燃以便产生从该燃烧室排入环形高压涡轮喷嘴26的燃烧气流24。

该涡轮喷嘴引导燃烧气体进入一级或多级或多排的高压涡轮转子叶片28，该转子叶片从该燃烧气体吸取能量以便通过在其中延伸的相应驱动轴30转动压缩机14的转子叶片。在图1所示的示例性实施例中，在高压涡轮中有三排高压转子叶片，以及相应的第二和第三级涡轮喷嘴。

多级低压涡轮32布置在高压涡轮的下游并连接在另一驱动轴34上，该驱动轴继而连接在发电机上以便提供转动动力。

但对于筒式燃烧室18的特定构形以及与第一级涡轮喷嘴26相结合，图1所示的发动机可以是传统的构形并用来驱动发电机。

图2表示图1所示燃烧室的示例性燃烧筒36的轴向截面图。该燃烧筒是传统的并包括具有环形燃烧室衬里38，该衬里具有上游拱形端，例如五个的多个预混合器40定位在该拱形端处。每个预混合器具有相应的燃料注射器以便将例如天然气注射到预混合器中以便与压缩空气16的一部分混合，该混合物适于点燃以便在该燃烧室衬里内产生燃烧气流24。

围绕该燃烧室衬里的是环形罩或壳体42，该壳体限定围绕该衬里的环形总管，压缩空气16提供该总管以传统方式输送以便冷却该衬里本身以及提供空气到该预混合器上。

图1所示的总体燃烧室18是环形的，并通常围绕该发动机的纵向或轴向中心轴线对称，并包括一排大致相同的燃烧筒36，该燃烧筒在图2中以截面示出并在图3中表示在从后向前看的视图中。由于每个燃烧室衬里38是总体的圆柱形或在径向截面上呈圆形，每个燃烧筒36还包括整体的过渡件44，该过渡件终止于图3清楚所示的相应弧形出口46处。来自相应燃烧筒的过渡件出口46围绕该燃烧室的周边相互连接以便限定分段的环带从而将单独的燃烧气流24总的排入公用的第一级涡轮喷嘴26，如图2所示。

包括筒式燃烧室18并与涡轮喷嘴26协作的所述发动机在构形和功能上是传统的。如背景技术所述，每个燃烧筒产生其自己的燃烧气流，该燃烧气体具有相应的静态和动态压力性能。另外，由于该多级燃烧筒在公用涡轮喷嘴26处相互邻近，相邻筒的动态相互作用受到所述相互作用的推推和推拉动态模式的影响。

按照本发明，图1所示的发动机10适于变型以便在筒式燃烧室18内抑制或消除相邻筒之间的动态压力相互作用，从而特别抑制推拉异相动态相互作用模式。因此，可提高燃烧室的性能，同时减少或消除其疲劳损坏。

如图2最初所示，该燃烧筒排列中的每个筒适当供应燃料22和压缩空气16以便平行地产生燃烧气流24。多条气流在图2和3所示的公用轴向平面内通过相应过渡件44的弧形出口46排放。

多条气流24总的向下游输送到公用环形涡轮喷嘴26中，如图2所示。在一个实施例中该涡轮喷嘴在构形上是传统的并包括多个固定地安装在内和外带50、52径向之间的定子叶片48。每个叶片最好是中空的以便在其中输送冷却空气，并包括上游前边缘54和下游后边缘56，该叶片的正压和负压侧延伸在前边缘和后边缘之间。

由于多个燃烧筒总的将其各自的气流排入公用的涡轮喷嘴26，周向相邻的气流的动态相互作用可以在多个筒和公用单个喷嘴26之间方便地得到抑制。

该燃料和空气混合物的燃烧在相应燃烧气流24内产生静态压力和由气流中周期性压力振荡表示的动态压力。该周期性压力振荡的频率是特定的并且其幅值从对应于非共振频率的零变化到对应于共振频率的高压幅值。

如以下进一步详细描述，相邻气流24的动态相互作用最好通过抑制从该筒排出气流的异相动态相互作用来抑制，该异相动态相互作用对应于推拉动态模式。

如图2所示，定子叶片48最好在燃烧筒36的下游方向上隔开以便限定轴向布置在过渡件出口46和叶片前边缘54之间的环形总管或环带58。该总管周向连续围绕该发动机的中心轴线并提供公用的环带，来自所有燃烧筒的燃烧气流24可总的排入该环带内。

多条气流排入公用总管对于平衡相邻筒之间的静态压力以便改善发动机性能是有效的。但是，公用总管58还提供用于在燃烧筒之间动态相互作用的机构。

按照本发明的一个实施例通过操作带有奇数的燃烧筒36的燃烧室可以抑制或消除这种动态相互作用。

例如，由本受让人制造的发电气体涡轮发动机包括带有偶数的燃烧筒的燃烧室，例如6个筒、14个筒、18个筒以便用于不同的发动机型号中。历史上奇数的燃烧筒已经用来保持燃烧室性能的周向对称性。

除了在该发动机中使用偶数的燃烧筒之外，可以使用奇数的筒来抑制筒之间的动态模式相互作用。使用奇数的筒可以只比相应的偶数的筒的数量多或少一个。换言之，在一个型号中使用13或15个筒。在另一型号中使用17或19个筒，出于比较的目的在第三型号中使用5或7个筒。

与传统偶数的筒不同，已经分析出简单地使用奇数筒可以抑制筒之间的动态模式相互作用。动态相互作用的不希望的推拉模式的特征是改变任何两个相邻筒之间的正和负相的关系。

如上所述，动态模式的频率是特定的正弦波形的相应周期压力振荡。该波形的波峰可认为是正值(+)，而波谷是相应的负值(-)。

当相邻的燃烧筒以推拉模式相互动态作用时，一个筒的正值在相应频率下与相邻筒的负值同相。

用于传统偶数燃烧室的经验测试数据表示动态相互作用在大约第一频率下是推拉模式，而相互作用在更高的第二频率下的下一个共振模式是推拉模式。压力振荡的幅值大致随频率模式的增加而减少。

偶数燃烧室的分析模拟预测动态相互作用的两个示例性模式。并且相应的奇数筒燃烧室的分析模拟证实该抑制作用在第一频率下大致消除了相互作用的推拉动态模式。

由于推拉动态相互作用需要筒和筒之间的异相响应，可以通过改变筒式燃烧室的几何形状抑制或消除推拉动态相互作用模式，从而防止异相相互作用的连续性。

通过类比，异相相互作用需要围绕该燃烧室的周边的筒和筒之间的正和负相的关系进行交替，在结构上通过使用偶数燃烧筒来实现。通过将燃烧筒的数量简单地改变成最接近的奇数筒，可以消除筒之间的交替正和负相相互作用的周向连续性。采用奇数的筒，两个相邻筒必须同相，而不管其他筒之间的几何上的交替相。通过中断交替相的周向连续性，可以有效地抑制或消除动态相互作用的推拉模式，如分析数据支持的那样。

图3表示图1所述筒式燃烧室的一个实施例，除了使用奇数燃烧筒之外，它是传统类型的，表示出有15个筒。图2示意表示传统6筒、14筒、18筒的筒式燃烧室的奇数燃烧室变型的可选择构形，该构形对于总管燃烧室内的5、7、13、15、17或19筒来说具有多一个或少一个燃烧筒。

对于给定的涡轮发动机尺寸，燃烧筒的数量减少将相应需要增加筒的尺寸以便工作量相同。并且，增加筒的数量将相应地减少筒的尺寸以便发动机的工作量相同。

如上所述，奇数筒的燃烧室可与图2所述的传统第一级涡轮喷嘴26协作，其中多条燃烧气流总的排入公用的环形总管58。该公用总管确保多个筒之间的静态压力的平衡，其中通过奇数燃烧筒来抑制推拉模式的动态相互作用。该奇数筒因此有效地在动态上相互不关联以便通过发动机结构上最少的变化来抑制操作的推拉模式。

图4表示本发明的用于抑制该燃烧筒的推拉动态相互作用的可选择实施例。在此实施例中，与传统应用相同，燃烧室的数量可保持为偶数，使得其结构不改变。奇数筒的动态相互作用通过适当阻止筒和喷嘴叶片48之间的相邻燃烧气流24的周向交叉流动来抑制。

如图4和5所示，叶片48在该筒的出口端的下游方向上隔开以便限定周向延伸的腔室60。图4所示的涡轮喷嘴标示为26B，并且是图2所示大致相同的涡轮喷嘴26的变型。

在图4和5所示的涡轮喷嘴的实施例中，通过从相邻过渡件44轴向向下游延伸到叶片48的相应前边缘54的相应无孔挡板62，腔室60在周向上进行分段。该挡板62与涡轮喷嘴的内和外带50、52形成整体并与相邻过渡件44之间的周向接合部对齐。由于涡轮喷嘴通常包括比过渡件数量多的叶片，挡板的数量比叶片少，并且挡板只设置在其出口处相邻过波件的接合部处以便大致阻挡其中开放的流动区域，并防止相邻燃烧筒之间的周向交叉流动和动态耦合。

以此方式，在从过渡件出口到叶片的相应前边缘的分段腔室60中阻止燃烧筒之间的交叉流动。

此实施例的另一分析表明当筒出口之间的周向开放区域的大小减少时推拉动态相互作用得到抑制。挡板62可以设定尺寸并构造成阻挡相邻燃烧筒之间的开放区域的一部分或大致全部以便直接在各自燃烧筒下游的相应叶片之间引导燃烧气流。

在图5所示的示例性实施例中，挡板62在轴向和径向上是直的，并与各自叶片的相应前边缘连接。由此叶片具有空气动力的构形，该构形具有总体凹入的正压侧和总体凸出的负压侧，挡板62可简单是直的以便阻挡筒出口之间的开放区域。

图6表示标号为62B的挡板的可选择实施例，该挡板轴向为弧形并且径向上是直的。在此实施例中，弧形挡板62B具有与其前边缘后部的相应叶片的凹入侧适当配合的凹入侧以及总体上与相应叶片的凸出侧相配的凸出侧。

挡板62、62B的形状或构形可以如所需优化以便阻挡筒出口之间交叉流动的开放区域，同时增加涡轮喷嘴的空气动力性能。

如图5所示，喷嘴叶片48可以具有任何传统构形并通常在与相邻叶片的负压侧上的相应点垂直延伸的一个叶片的后边缘之间限定最小流动区域的喉部64。在操作时，燃烧气体在该喉部经过阻流，并因此该挡板有效地用于该喷嘴喉部上游的燃烧筒的动态不相关，以便抑制推拉动态相互作用模式。

类似地，所述奇数燃烧筒的性能在喷嘴喉部上游相关，使得简单地使用奇数筒来抑制不希望的推拉动态相互作用模式的形成。

所述实施例的特别优点在于奇数燃烧室或挡板的涡轮喷嘴可便于改装在现有的发电涡轮中以便抑制推拉动态模式并改善疲劳强度和性能。所述基本实施例的动态模拟支持推拉动态相互作用模式的抑制。并且还可以进行该实施例的变型以便优化其性能。

在这里已经描述认为是本发明优选和示例性实施例的同时，本领域的技术人员从这里的教导中得以明白本发明的其他实施例，并且希望确保在所附权利要求中覆盖所有落入本发明精神和范围内的这些变型。

Claims (5)

1.一种在气体涡轮燃烧室内抑制动态相互作用的方法，其包括：

提供燃料和空气到一排燃烧筒，以便在其中产生燃烧气体的各自气流，每个所述筒具有终止于弧形出口以便在公用平面内排出所述气流的过渡件；

向下游输送所述气流到具有多个叶片的环形涡轮喷嘴内，该叶片径向安装在内和外带之间，每个所述叶片具有上游前边缘和下游后边缘；以及

在所述筒和喷嘴之间的轴向上抑制所述燃烧气体的周向相邻气流的动态相互作用；

其中所述气流在只比14、16或18个筒多或少一个的奇数数量的所述筒中产生。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

操作每个所述筒以便在所述气流中产生周期性压力振荡；以及

通过抑制从所述筒排出的所述气流的异相动态相互作用来抑制所述气流的动态相互作用。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述叶片在所述筒的下游方向上隔开以便在所述过渡件出口和所述叶片前边缘之间的轴向上限定环形总管；以及

所述气流从所述筒一起排入所述总管以便平衡相邻筒之间的静态压力。

4.一种设备，其包括：

包括一排燃烧筒以便在其中产生各自燃烧气流的燃烧室，每个所述筒具有终止于弧形出口以便在公用平面内排出所述气流的过渡件；

用于提供燃料和空气到所述筒内以便产生所述燃烧气体的装置；

布置成与所述筒流体连通以便从中接收所述气流的环形涡轮喷嘴，并包括多个径向安装在内和外带之间的叶片，每个所述叶片具有上游前边缘和下游后边缘；以及

用于抑制所述筒和喷嘴之间轴向上的所述燃烧气体的周向相邻气流的动态相互作用的装置；

其中筒的所述数量只比14、16或18个筒多或少一个。

5.如权利要求4所述的设备，其特征在于：

所述叶片在所述筒的下游方向上隔开以便在所述过渡件出口和所述叶片前边缘之间的轴向上限定环形总管；以及

所述气流从所述筒一起排入所述总管以便平衡相邻筒之间的静态压力。

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