用于阻尼声音的设备和方法
【专利说明】用于阻尼声音的设备和方法
[0001]相关申请的交叉引用
本PCT实用申请请求享有具有美国专利申请序列第61 / 865，361号的题为"Apparatusand Method for Dampening Acoustics〃且具有2013年8月13日的申请日的当前未决临时专利的优先权和权益，其全部通过引用并入本文中。
技术领域
[0002]本申请涉及涡轮，并且更具体地涉及控制燃气涡轮发动机燃烧器中的动态压力脉冲的声阻尼设备。
【背景技术】
[0003]破坏性声压振荡或压力脉冲可由于取决于燃料空气化学计量、总质量流和其它操作条件的正常操作条件在燃气涡轮发动机的燃烧器中生成。燃气轮机燃烧器设计朝满足联邦和地方空气污染标准所需的低排放的当前趋势导致了使用贫预混燃烧系统，其中燃料和空气在火焰反应区域上游均一地混合。这些燃烧系统操作所处的燃料空气比或当量比相比于更常规的燃烧器更〃贫〃，以便保持低火焰温度，这继而又将不需要的气态NOx排放的产生限制于可接受的水平。尽管在不使用水或蒸汽喷射的情况下实现低排放的该方法广泛使用，但与低当量比下的操作相关联的燃烧不稳定性也趋于在燃烧器中产生不可接受的高动态压力振荡，这可导致硬件破坏和其它操作问题。非期望的声音的共振频率的变化也是压力振荡的结果。尽管本领域中的当前装置目的在于消除、防止或减小动态压力振荡，但当前装置不能解决操作期间的自然频率可变化且限于涡轮发动机中的特定地点以便适当起作用的情形。因此，所需的是一种解决本领域中的这些及其它问题的设备。
【发明内容】
[0004]为此，提供了一种设备，其构造成在不同频率下且不管设备的位置而阻尼关于燃烧器中的压力改变的声音。本发明目的在于以简单且有效的方式阻尼压力，而不管设备关于燃烧器的放置，而非转变为使用带有若干复杂和/或移动零件的复杂系统，或将设备设计成包括设计成仅使用相位补偿来阻尼压力的特定大小(通过产生与来自燃烧过程的入射声波异相的反射声波)。
[0005]在一个实施例中，提供了一种用于阻尼由燃气涡轮发动机燃烧器的燃烧器壁部分地容纳的气流的声压力振荡的设备。该设备包括带有封闭端、开口端和它们之间的腔的至少一个谐振管。腔与燃烧器的内部流体连通，使得气流可流入和流出腔。设备还包括定位在开口端处且包括多个孔口的穿孔板，其中流入和流出腔的气流行进穿过孔口。
[0006]在另一个实施例中，提供了一种可改造到燃气涡轮发动机燃烧器的四分之一波形管(QWT)上的设备。设备适于相对于阻尼燃烧器中的声压振荡增大四分之一波形管的有效性范围，声压振荡在谐振频率下谐振。四分之一波形管改造成带有构造成阻尼目标频率下的声压振荡的设备，其中目标频率在谐振频率的大约250Hz内。
[0007]在另一个实施例中，提供了一种阻尼由燃气涡轮发动机燃烧器的燃烧器壁部分地容纳的气流的声压振荡的方法。该方法包括使谐振管的腔与燃烧器的内部流体连通，使得气流可流入和流出腔。燃烧器包括闭合端、开口端，以及它们之间的腔。该方法还包括将穿孔板定位在谐振管的开口端处，穿孔板包括多个孔口，其中流入和流出腔的气流行进穿过孔口。
【附图说明】
[0008]图1示出了用于阻尼包括壳体的燃气涡轮发动机燃烧器中的声音的设备的一部分。
[0009]图2示出了图1的设备的后部透视图。
[00?0]图3不出了图1的设备的侧视图。
[0011]图4示出了图1的设备的截面透视图，示出了腔。
[0012]图5示出了现有技术的设备的阻尼声音的有效性的图表。
[0013]图6示出了本发明的一个实施例的阻尼声音的有效性的图表。
[0014]图7示出了以示意性形式示出的现有技术的装置的至少气流和温度特征。
[0015]图8示出了以示意性形式示出的与本发明的一个实施例相关联的至少气流和温度特征的效果。
【具体实施方式】
[0016]参看图1-4，设备8包括用壳体12至少部分地包围的谐振管10。所示壳体12是可选的，且在一些实施例中，可有助于关于燃烧器14附连谐振管10，使得谐振管10可阻尼由燃烧器14容纳的气流的声压振荡。谐振管包括吹扫孔15 ο谐振管1包括闭合端16、开口端18和它们之间的腔20。谐振管10放置为与燃烧器14的内部22流体连通，使得气流可流入和流出腔
20。开口端18基本上与燃烧器14的内表面24齐平。图1-4仅示出了谐振管10的长度的一部分，且将认识到的是，谐振管10可具有比所示更长的长度(例如，见图8)。
[0017]穿孔板26定位在开口端18处，且包括多个孔口28，使得流入和流出腔20的气流行进穿过孔口 28。尽管仅示出了一个穿孔板26，但有可能使用一个以上的穿孔板26。此外，有可能的是，在其它实施例中，穿孔板26可具有多于或少于所示的孔口 28，且孔口 28可为不同于所示的形状。此外，穿孔板26可与谐振管10的其余部分整体结合，或可为固定在谐振管10的开口端18处或附近的单独的构件。例如，穿孔板26可改造在燃烧器的现有的四分之一波形管上。为此，穿孔板26的实施例将可改造在燃气涡轮发动机燃烧器的现有的四分之一波形管上或中。将认识到的是，穿孔板26可改造在燃烧器的现有四分之一波形管上，以便提供与设备8的不同实施例相同或相似的利益。
[0018]将理解的是，与燃烧器的操作相关联的动态压力脉冲或声压振荡将过大的机械应力施加到燃气涡轮发动机上。燃气轮机燃烧器设计朝满足联邦和地方空气污染标准所需的低NOx排放的当前趋势导致了使用预混燃烧系统，其中燃料和空气使用旋流混合器的相对开放的流动类型在火焰反应区域上游均一混合，这形成反馈环，反馈环继而又允许声振荡或其压力波在涡轮入口导叶的级与压缩机出口导叶的级之间基本上无阻碍地且穿过燃烧器的全长来回反弹。此燃烧器的实例在美国专利第7，059，135号中公开，该专利的全部通过引用并入本文中。这些燃烧系统操作所处的燃料空气比或等量比相比于常规燃烧器更〃贫〃，以保持低火焰温度来将气态NOx排放限于所需的水平。尽管在不使用水或蒸汽喷射的情况下实现低排放的该方法广泛使用，但与低当量比下的操作相关联的燃烧不稳定性也趋于在燃烧器中产生不可接受的高动态压力振荡，导致硬件破坏和其它操作问题。鉴于此本文所述的技术，开发出了用于压制或衰减来自燃烧器内的声压振荡的压力脉冲的设备。不同于本领域中的其它装置，设备8可有效地用于涡轮发动机的"冷侧"或"热侧"上。如本文中所使用的，〃冷侧〃意思是表示空气/燃料混合器上游的区域，而〃热侧〃意思是表示空气/燃料混合器的下游的区域。
[0019]图5示出了示出如本领域中已知的典型的四分之一波形管的有效性的图表。如图所示，一旦燃烧器14中的声压振荡的谐振或实际频率不再在目标频率的大约25Hz内，则吸收系数大体上小于0.4或40%。当描述某一规定值(例如，频率)是否在某一值的大约n(例如，Hz)内时，这意味着规定值在加或减大约η内，除非另外规定。如本文中所使用的，〃目标频率"意味着描述燃烧器14意在该处操作的范围，或阻尼装置设计成在该处最有效的频率(即，在其中吸收系数为大约I，或100%)。"谐振频率"意思是描述燃烧器14操作所处的实际频率，包括发生声压振荡的时间。现有技术的典型的四分之一波形管阻尼100%的声压振荡仅在很窄的范围处有效，这示为在吸收系数等于I或100%的点处。
[0020]图6示出了阻尼声压振荡中的如本文所述的设备8的一个实施例的有效性的图表。谐振管10构造成阻尼在目标频率的大约250Hz内谐振的声压振荡，而非在目标频率的大约25Hz下有效。尽管有效性(由吸收系数所示)随实际谐振频率偏离目标频率减小，但如本文所述的谐振管10比本领域中已知的装置更有效地阻尼声压振荡。如图所示，谐振管10构造成在谐振频率在目标频率的大约250Hz内时，阻尼声压振荡的至少40%。此外，谐振管10构