用于燃气涡轮发动机的燃烧室的制作方法

本发明涉及用于燃气涡轮的燃烧室和包括这样的燃烧室的燃气涡轮发动机。

背景技术：

燃烧动力学中的热声效应是一种众所周知的复杂现象，该现象在现代低排放燃气涡轮燃烧装置中出现得相当频繁。燃烧过程固有的不稳定性引起了燃烧气体的强有力的热声振动，这种强有力的热声振动可能是由热释放与周围声响之间多余的互作用造成的。由于燃烧过程所涉及的能量，高动态水平(highdynamiclevel)可能是致命的，并且在耦合的声学-结构互作用中，这可能会损坏周围的燃烧室结构。剧烈的燃烧动力还可能会影响燃气涡轮的整体运行，这表现为试运转期间的高排放水平和高成本。对这种现象加以抑制是必要的并且可以通过不同的方式来实现，例如最小化与源的声互作用、改变声频谱、移动结构本征模式或者引入无源阻尼装置来获得可允许的动力水平。

通常，通过使用经典的亥姆霍兹共振器来解决对燃烧室中的(低频)燃烧不稳定性的抑制。这种声装置的阻尼能力是通过在燃烧室壁中的孔的后面建立声腔来实现的。

目标频率是要被该装置抑制的频率f，它是通过腔的几何参数来确定的，即：

-腔的体积vc，

-腔与燃烧室之间的阻尼孔的横截面面积a，

-腔与燃烧室之间的阻尼孔的长度l。

根据众所周知的亥姆霍兹共振器原理(上述参数与亥姆霍兹共振器有关联)，要被抑制的频率f与面积a和体积vc乘长度l的乘积之间的比率的平方根成比例，即，用符号表示为：

f～sqrt(a/(vc*l)

长度l与将亥姆霍兹共振器与燃烧室分离的壁的厚度(一般情况下，范围为从2mm至4mm)有关，并且阻尼孔的面积a不能高于上限，这取决于技术上的约束，尤其是对将亥姆霍兹共振器与燃烧室分离的壁的结构要求。阻尼孔的直径的典型的取值范围在0.5mm与4mm之间。因此，以上关系表明：解决中高频f的仅有的实际可能性需要借助于小亥姆霍兹装置，即，体积vc的值较小的亥姆霍兹装置。然而，由于当前制造技术的限制，这几乎是不可能实现的。作为一种替代方案，使用所谓的带孔缸套(perforatedliner)或软壁。

参照图1和图2，软壁由燃烧装置内壁22a中的大量窄间隔孔40a实现，燃烧装置内壁22a与燃烧室1的外壁25a是间隔开的。窄间隔孔40a共享被包括在内壁22a与外壁25a之间的同一声腔30a。这样的装置通常是通过焊接来制造的，这样的装置允许对如下频率间隔进行抑制或限制：该频率间隔的值取决于孔的尺寸、间距、腔深度和长度以及取决于通过孔的空气流的速度。

第一个缺陷源于冷却介质(特别是压缩空气)必须沿着腔30a流动。由于燃烧装置的壁暴露于灼热的气体中，所以燃烧装置的壁需要被冷却，并且为此，通常需要大量的冷却空气在腔30a中低速流动。然而，由于连接在冷侧上(即连接到冷却空气在其中流动的腔30a)的孔数以百计，存在着在腔30a中摄入灼热的气体的风险。该风险是由燃烧室内壁22a上不同切向和/或轴向的压力变化引起的。为了抑制该问题，可能需要过量的冷却空气。

另外，在一些情况中，阻尼能力可能主要基于通过阻尼孔的高空气流动速度，这种方法消耗大量的冷却空气并因此极力限制要使用的孔的数目。由于孔的数目与声衰减的程度成正比，所以这种方法可能导致对燃烧不稳定性的阻尼不够充分。

此外，对于与上述方案类似的方案而言，在燃气涡轮燃烧室(即，软壁在处于高排放压力的热/冷环境中操作)的背景下，难以验证从一般的软壁热声理论导出的数值预测。

在任何情况中，目前设计上的选择都受限于现在使用的阻尼段的制造方法，这是因为：在壁段中针对单个腔具有高达一千个孔是不可行的或经济上是不切实际的。

在us2015/020498、us2006/059913和us2009/094985中提出了不同的方案，这些方案涉及在燃烧室的内壁上制造有限数目的阻尼元件，然而这些专利文献并没有显示出阻尼与冷却要求之间的最佳折衷。

上面所描述的这些缺陷表明这种装置并不是最优的，尽管其已经被认为是声阻尼要求、冷却要求与现有制造技术之间的可以接受的折衷。

期望提供一种燃气涡轮的燃烧室的壁的新设计，以便有效地提供所需程度的声阻尼和壁冷却。

技术实现要素：

本发明的一个目的可以是提供一种用于燃气涡轮的燃烧室，该燃烧室允许对包括中高频在内的较宽范围的频率进行抑制。

本发明的进一步目的可以是提供一种用于燃气涡轮的燃烧室，该燃烧室具有集成了阻尼装置和冷却系统的壁，该阻尼装置用于该燃烧室内部的燃烧气体的热声振动的阻尼，该冷却系统消耗最少量的冷却介质。

为了实现上面所限定的目的，根据独立权利要求，提供了一种用于燃气涡轮的燃烧室和一种包括这样的燃烧室的燃气涡轮。从属权利要求描述了本发明的有利展开和修改。

根据本发明的第一方面，一种用于燃气涡轮发动机的燃烧室包括：

-内壁，其划定燃烧室的内部体积的界限，燃烧气体从燃烧器通过该内部体积流动到燃气涡轮发动机的燃气涡轮，

-多个阻尼腔，用于燃烧气体的热声振动的阻尼，每个阻尼腔通过内壁上的至少一阻尼孔与内部体积连通，

-至少一个冷却通路，供冷却介质在内部体积外部流动以与内壁热接触，每个阻尼腔包括与冷却通路连通的至少一个吹扫孔(purginghole)，该至少一个吹扫孔用于将冷却介质的一部分通过阻尼腔吹扫到内部体积。

根据本发明，优化复杂声几何结构的建立允许将每个阻尼腔分离开，从而能够利用较少的冷却空气，这是因为每个腔所具有的孔的数目都有所减少，即，只具有抑制不期望频率所必需的孔。特别地，可以制造仅具有一个相应的单孔的腔。例如，这可以通过使用增材制造技术来实现，增材制造技术还能够允许以明显更容易或更快速的方式测试和验证不同的阻尼概念。

有利地，该方案在每个腔中只需要较小的吹扫气流。在位于阻尼腔之间的单独的通道中维持壁的对流冷却。在对流冷却气流中，只有少量的空气通过吹扫孔逸出。

根据本发明的示例性实施例，每个阻尼腔由内壁以及由至少一个腔壁划定界限，吹扫孔被设置在腔壁上。

有利的是，吹扫孔并没有被设置在内壁上，从而确定了阻尼腔被置于冷却介质的通路与燃烧室的内部体积之间。这允许将冷却介质的主流与冷却介质的次流分离开，其中冷却介质的次流在阻尼腔中流动以用于吹扫目的。

根据本发明的另一示例性实施例，燃烧室进一步包括外壁以及内壁与外壁之间的空隙，特别的是环形空隙，多个阻尼腔和冷却通路被设置在所述空隙中。有利地，多个阻尼腔和冷却通路位于燃烧室的内外壁之间的空隙中，从而与沿着燃烧室流动的燃烧气体隔离。

根据本发明的另一示例性实施例，多个阻尼腔从所述内壁和外壁中的一个延伸至另一个。这允许阻尼腔还与燃烧室的外壁热匹配，以改善阻尼腔的机械完整性。

根据本发明的其他可能的示例性实施例，阻尼腔可以沿一行或多行来布置。特别地，根据这些可能的实施例中的一个实施例，多个阻尼腔沿多行被布置，这些行沿着一个纵向方向延伸，该纵向方向平行于燃烧气体在内部体积内的主流动方向。在这种或其他的实施例中，可以在两行阻尼腔之间设置至少一个冷却通路。这允许以简单且有效的方式将阻尼腔与冷却通路隔离，其中冷却介质流动的方向平行于燃烧气体在燃烧室内部的主流动方向。特别地，根据本发明的其他可能的示例性实施例，相对于冷却介质在冷却通路中的流动，可以以负角度来布置吹扫孔。以这样的方式，可以布置除尘器，从而使灰尘或其他固体颗粒更难以从冷却通路向阻尼腔和燃烧室迁移。

根据本发明的另一可行的示例性实施例，冷却通路部分具有沿着冷却介质在冷却通路内部的流动方向而变窄的部分。根据本发明，冷却通路的其他形状也是可能的。以这种方式，可以沿着冷却通路控制总体冷却效果。可以采用泰勒方案，以将冷却效果集中在燃烧器室的已知的灼热区域上。

根据本发明的另一可能的示例性实施例，阻尼腔中的一个或多个阻尼腔包括与冷却介质热接触的两个侧腔壁。这样，例如第三侧腔壁可以与燃烧室的另一壁(特别是外壁)接触。由此，阻尼腔可以与燃烧室的外壁热匹配，以改善机械强度。

根据本发明的又一可能的示例性实施例，阻尼腔中的一个或多个阻尼腔包括与冷却介质热接触的三个侧腔壁。这样，阻尼腔可以沿着与燃烧室的内壁不一致的所有腔壁与冷却通路热接触。对于使用具有不止一个腔孔的较大阻尼腔的实施例而言，这种方案可以提供更好的冷却。

根据本发明的第二方面，一种燃气涡轮发动机包括燃烧器、燃气涡轮和位于燃烧器与燃气涡轮之间的如上面所描述的燃烧室。

依照本发明的燃气涡轮允许达到上面参照转子叶片所描述的相同的优点。

附图说明

根据下文中将要描述的实施例的示例，本发明的上面所限定的方面和进一步的方面将是明显的，并且参照实施例的示例来解释这些方面。下文中将参照实施例的示例更详细地描述本发明，但是本发明不限于这些示例。

图1是包括燃烧室的燃气涡轮发动机的局部示意图，该局部示意图是沿着纵向方向制作的剖面图。

图2示出了图1中的在现有技术中已知的细节ii的示意性放大图。

图3示出图1中的根据本发明的实施例的细节ii的示意性放大图。

图4示出了图3的燃烧室的细节的示意性截面图，该截面图是根据图3的线条iii-iii制作的剖面图。

图5示出了图3和图4的燃烧室的细节的示意性截面图，该截面图是根据图4的周向表面iv-iv制作的剖面图。

图6是根据本发明的燃烧室的另一实施例的轴测局部视图。

图7、图8和图9分别示出了根据本发明的三个相应实施例的燃烧室的组成部分的三个示意性平面投影。

具体实施方式

在下文中，详细地描述本发明的上面提到的特征和其他特征。参照附图来描述各种实施例，其中贯穿全文使用相同的附图标记来指代相同的元件。图示实施例旨在解释本发明而不是限制本发明。

图1在局部示意性剖面图中示出了燃气涡轮发动机1的示例。

更一般地，图1的示意性布局也可以用于描述根据已知现有技术的燃气涡轮发动机。特别地，图1中的细节ii可以由图2和图3中的两个放大图来表示，其中图2和图3中的放大图分别示出了上面已经描述的已知方案和根据本发明的方案，下面会更详细地描述根据本发明的方案。

燃气涡轮发动机1(未作为整体被示出)按照气流流经顺序包括压气机部(未示出)、燃烧器2、燃烧室10和燃气涡轮3，这些部件通常是按照气流流经顺序来布置的。在燃气涡轮发动机1的运行中，空气被压气机部压缩，并被输送至包括燃烧器2和燃烧室10的燃烧部。从压气机离开的压缩空气进入燃烧器2，在燃烧器2中，压缩空气与气体燃料或液体燃料混合。随后空气/燃料混合物被燃烧，并且来自燃烧的燃烧气体通过燃烧室10被引导到燃气涡轮部1，燃气涡轮部1用于将来自操作气体的能量转换成工作功率。燃烧气体在从燃烧器2到燃气涡轮3的主纵向方向x上沿着燃烧室10流动。

本发明的特定目的并不在于燃烧部、燃烧器2和燃气涡轮3，因此下面仅进一步详细描述燃烧室10。

参照图3、图4和图5，根据本发明的燃烧室10包括内壁22，内壁22划定了燃烧室10的内部体积v的界限，其中燃烧气体沿着主纵向方向x从燃烧器2通过内部体积v流动到燃气涡轮发动机1的燃气涡轮3。燃烧室10进一步包括外壁25和位于内壁22与外壁25之间的环形空隙28。空隙28围绕燃烧室10的内部体积v环形地延伸。

在空隙28中，设置了多个阻尼腔30，用于燃烧气体的热声振动的阻尼，其中每个阻尼腔30通过内壁22上的至少一个阻尼孔40与内部体积v连通。每个阻尼腔30表示具有以下主要几何参数的亥姆霍兹共振器：

-阻尼腔30的体积vc，

-阻尼孔40的横截面面积a，

-阻尼孔40的长度l。

每个阻尼腔30可以用于对体积v内部的燃烧气体的热声振动的频率f进行抑制，其中频率f与面积a和体积v乘长度l的乘积之间的比率的平方根成比例，即，用符号表示为：

f～sqrt(a/(vc*l)

每个阻尼腔30由燃烧室10的内壁22和外壁25以及由至少两个侧腔壁42、43划定界限，其中所述至少两个侧腔壁42、43在与纵向方向x正交的方向上从内壁22和外壁25中的一个延伸至另一个。

两个侧腔壁42、43沿着纵向方向x从燃烧器2延伸至燃气涡轮3，使得至少一部分阻尼腔30沿着至少一行被布置，其中所述至少一行平行于纵向方向x延伸。在图5的局部视图中示出了两个行31，但是根据本发明，可以在空隙28中设置任意数目的行31。特别地，根据可能的实施例，在空隙28中，可以围绕纵向方向x分布有多个行31，这些行彼此规则地间隔开。

空隙28进一步包括至少一个冷却通路50，其也是从所述内壁22和外壁25中的一个延伸至另一个。在图3、图4和图5的实施例中，设置了多个冷却通路50。每个冷却通路50被置于阻尼腔30的每一对相邻行31之间。在冷却通路50内部流动着冷却介质，该冷却介质在内部体积v外部流动，但是与内壁22热接触。冷却介质通常是来自压气机部的压缩空气的一部分，压缩空气的所述一部分绕过燃烧器2并被直接引导到空隙28中。根据本发明的其他可能的实施例，也可以使用其他冷却介质。

每个阻尼腔30包括与冷却通路50连通的至少一个吹扫孔60，用于将冷却介质的一部分通过阻尼腔30吹扫到内部体积v。吹扫孔60被设置在腔壁42、43中的一个或两个上。

相对于阻尼孔40，吹扫孔60通常具有较小的尺寸，其中根据不应当被例如固体颗粒阻塞的必要性，该尺寸具有下限。

相对于冷却介质在冷却通路50中的流动而言，吹扫孔60以负角度来布置从而使得可以布置除尘器，由此使灰尘或其他固体颗粒更加难以从冷却通路向阻尼腔30和燃烧室体积v迁移。

根据本发明的其他可能的实施例，阻尼腔30和冷却通路50的各种各样的几何布置都是可能的。例如，可以不按照行来布置阻尼腔30，而是梅花状地或交错地或根据其他模式来布置阻尼腔30。

特别地，根据图6中的实施例，阻尼腔30可以不从内壁22和外壁25中的一个延伸至另一个，而是包括与冷却介质热接触且与外壁25间隔开的第三侧腔壁44。在这样的实施例中，第三侧腔壁44平行于纵向方向x延伸，并且包括多个吹扫孔60，并且对于单个阻尼腔而言，存在着超过一个的阻尼孔40。冷却通路50与三个侧腔壁42、43、44接触。

其他实施例(未示出)可以源自图3、图4和图5中的实施例与图6中的实施例的组合，例如，根据本发明，可以使一个或多个阻尼腔30具有一个单个的阻尼孔40并在两个侧腔壁42、43上具有吹扫孔60(类似于图3、图4和图5中的实施例)，但是冷却通路50与三个侧腔壁42、43、44接触(类似于图6中的实施例)。

另外，冷却通路50可以不同于图4和图5中表示的直线型几何形状。例如，根据可能的实施例(未示出)，冷却通路50具有沿着冷却介质在冷却通路50内部的流动方向变窄的部分。冷却通路的其他几何形状也是可能的，以便沿着冷却通路控制总体的冷却效果。

在冷却通路50中，冷却介质大部分纵向地(即平行于纵向方向x)从冷却通路50的第一纵向端流动至第二纵向端。

根据本发明的一个可能的实施例，针对燃烧室10的所有沿着方向x的纵向延伸以及燃烧室10的所有围绕方向x的周向延伸，在燃烧室10上设置冷却通路50和阻尼腔30。

根据本发明的另一可能的实施例，只有燃烧室10的缩减部(reducedsection)包括冷却通路50和阻尼腔30，该缩减部在其沿方向x的纵向延伸上是受限的，或者在其围绕方向x的周向延伸上是受限的。例如，可以只在热声振动阻尼和/或冷却要求特别强的一个或多个部分上设置冷却通路50和阻尼腔30。

特别地，参照本发明的三个可能的实施例，图7、图8和图9分别示出了阻尼腔30和冷却通路50在内壁22上的三个不同的几何布置模式。图7、图8和图9中的阻尼腔30中的每一个阻尼腔类似于图3至图6中的阻尼腔中的任一个阻尼腔。在图7中，阻尼腔30根据矩阵图案来分布，该矩阵图案包括与纵向方向x分别平行和正交的多个行和列。每个阻尼腔30在与纵向方向x平行和正交的两个方向上与其他阻尼腔间隔开。在图8中，阻尼腔30是交错的。在图7和图8的两个实施例中，冷却通路50围绕着每一个阻尼腔30，如参照图6中的实施例所描述的。在图9中，与图3至图5中的实施例类似，使用了阻尼腔30的行，但是不同之处在于，图9中的行不与纵向方向x平行。由此，阻尼腔30的行之间的冷却通路50也不与纵向方向x平行。

例如可以通过使用增材制造而不是使用焊接，来实现各种各样的不同的其他几何形状。

特别地，侧腔壁42和/或43和/或第三侧腔壁44和/或多个冷却通路50的壁可以通过增材制造技术来构造，例如通过选择性激光熔化、选择性激光烧结、电子束熔化、选择性热烧结或电子束自由成形制造。特别地，使用激光(例如，选择性激光熔化、选择性激光烧结)的方案允许非常精细的结构和精细的几何形状。

通过使用增材制造技术，可以建立优化的(复杂)声学几何结构，并且还能够将冷侧上的每个阻尼孔分离，从而可以利用较少的冷却空气，这是因为每个腔仅具有一个孔。在每个腔中仅需要较小的吹扫气流。在位于阻尼腔之间的单独的通道中维持壁的对流冷却，在该单独的通道中只有少量的空气逸出。通过使主冷却气流保持笔直并且使渗出气流(bleed)保持处于负角度，可以为这些非常小的孔布置除尘器。如果需要的话，主通道也可以是会聚性的，以使对流热传递沿着燃烧室壁的阻尼段进行。阻尼段可以与燃烧室的其他部件热匹配，以维持机械完整性。

对于所有的几何结构，都需要冷却通路50与阻尼腔30分开，从而使对流冷却介质主要在与阻尼腔分离的通道中流动。虽然由于吹扫的原因而允许少量的冷却介质通过吹扫孔60和阻尼孔40，但是对流冷却主要还是依赖于冷却介质在通路50内部(即阻尼腔30外部)的主流动。

在燃烧室10的设置有冷却通路50和阻尼腔30的部分中，冷却介质在冷却通路50内部的流动主要是纵向的，同时冷却介质的很小的一部分通过吹扫孔60进入阻尼腔30并通过阻尼孔40进入内部体积v。

有利的是，阻尼腔还能用于提供冷却空气以冷却内壁22，其中内壁22通常会受到灼热的燃烧区域的影响。

特别地，阻尼腔30可以被定位在靠近具有燃烧体积的热释放区，即，火焰前端附近。阻尼腔30可以被定位在前面板或内燃烧筒中。阻尼腔30还可以或额外地被定位为靠近存在本征模式最大波动的位置。

也可以围绕燃烧体积的整个壁配备多个阻尼腔。

在存在阻尼腔的区域中，阻尼腔可以被布置成设有阻尼腔的完整的环。

特别地，在使用增材制造时可生产环段，在环段中，所有的壁都是通过增材制造工艺生产的。接着，环段例如通过焊接被附接成封闭的环。较小的燃烧室可以被构造成没有分段的完整环，即，筒状部件。

“亥姆霍兹体积”的形状可以是任意的，例如球形的、圆锥形的、矩形的、蜂窝状的等等。孔的形状可以是圆形的或椭圆形的等等。

阻尼腔(即“亥姆霍兹体积”)可以在其间具有不同的间距。不同的阻尼腔可以被放置在一起或者之间在切向或轴向方向上具有距离。

可能有利的是，在一个燃烧室中存在至少1000个阻尼腔。

此外，实施例的实现可以无需特定的冷却通路50(如图5中所提出的)而是仅具有多个阻尼腔，这些阻尼腔彼此远离，并且冷却空气在远离的阻尼腔之间流动。