专利名称：燃气涡轮机燃烧动态变化控制系统的制作方法
技术领域：
本发明一 般地涉及用于控制燃气涡轮发动机的运行的方法，并且更特别地，涉 及一种控制燃气涡轮机中的燃烧动态变化的方法。
背景技术：
燃气涡轮发动机包括压缩机、燃烧器和联接至压缩机的涡轮。燃烧器可包括多 个燃烧器筒(combustor can)。压缩空气和燃料被输送至燃烧器筒来产生高速和高压的燃 烧气体。这些燃烧气体被排放至涡轮。涡轮从燃烧气体提取能量用于产生动力，该动 力可以多种方式使用，例如为压缩机提供动力，为发电机提供动力，或为航空器提供动 力。燃气涡轮发动机在不同的负载状态下运行，这些负载状态对于燃烧器需要不同 的燃烧运行状态以满足期望的性能。在某些状态下，燃烧现象可与燃烧器的固有模式交 互作用，建立起反馈循环。这导致高振幅的压力波动或扰动。这些压力扰动被称为燃烧 动态变化。燃烧动态变化能够限制燃气涡轮机的运行状态，且还可引起硬件损坏或计划 外停机。燃烧动态变化是所有类型的燃烧器都面临的问题。由于设计的缘故，对为获得 减少的排放而开发的现代预混合燃烧系统而言，燃烧动态变化相对更严重。因此，所期 望的是控制燃气涡轮发动机中的燃烧动态变化。
发明内容
根据本文公开的一个实施例，一种系统包括具有多个燃烧器筒的燃气涡轮机燃 烧器、连接燃烧器筒的联焰管(crossfire tube)和连接燃烧器筒来控制燃烧动态变化的管状 连接系统。该管状连接系统包括用于连接至少一对燃烧器筒的管。根据本文公开的另一实施例，一种系统包括具有多个燃烧器筒的燃气涡轮机燃 烧器，连接燃烧器筒的联焰管，和声学地连接燃烧器筒来控制燃烧动态变化的管状连接 系统。该管状连接系统包括用于连接至少一对邻近的燃烧器筒的头端的管。根据本文公开的另一实施例，一种系统包括具有多个燃烧器筒的燃气涡轮机燃 烧系统，连接燃烧器筒的联焰管，和连接燃烧器筒来控制燃烧动态变化的管状连接系 统。该管状连接系统包括管，该管用于声学地连接燃烧器筒，使得由第一燃烧器筒的燃 烧动态变化产生的声波可异相地到达第二燃烧器筒，以减少或消除第二燃烧器筒中的燃 烧动态变化。
在参考附图阅读以下具体实施方式
之后，本发明的这些和其它特征、方面以及 优点将变得更好地理解，贯穿附图相似的字符代表相似的部件，其中图1是燃气涡轮发动机系统的示意图。
图2以轴向横截面图示了燃烧器的一个示范性燃烧器筒。图3图示了示范性燃烧器的环筒构造的侧面视图。图4图示了示范性燃烧器的一部分。图5图示了根据本文公开的方面的环筒系统的一个实施例。图6图示了根据本文公开的方面的筒之间的连接的一个实施例。图7图示了根据本文公开的方面的筒之间的连接的另一实施例。图8图示了根据本文公开的方面的环筒系统的另一实施例，其中多组筒被连 接。图9至11图示了根据本文公开的方面的环筒系统的其它实施例。部件列表10燃气涡轮发动机12 压缩机14多筒燃烧器16 涡轮18燃烧器衬里20预混合器22 燃料24 压缩空气26燃烧气体流28 喷嘴30 壳体32整体过渡件34 出口 3436 联焰管50 系统50的一个实施例52燃气涡轮机燃烧器54联焰管56管状连接系统58燃烧器筒60 管62管的头端64筒至筒串扰70 另一实施例72 第一组管74 第二组管80 另一实施例82管状连接系统84 第一管86 第二管
88头端90燃烧器筒100环筒系统 的另一实施例102管104燃烧器筒106燃烧段108联焰连接110串扰112声波114管状连接系统116管118管状连接系统120管
具体实施例方式本文公开的实施例包括一种用于控制多筒燃气涡轮发动机中的燃烧动态变化的 系统。该系统包括连接燃烧器筒的专用管状连接系统以控制燃烧动态变化。尽管本文 描述的系统和方法以工业应用中所采用的重型燃气涡轮发动机为背景，但该系统和方法 适用于多种应用中采用的其它内燃机系统，例如但不限于，航空器、船舶、直升机和原 动机应用。如本文所使用，除非上下文清楚地另外规定，否则单数形式，例如“一”、
“一个”和“该”包括多个指示物。图1图示了示范性燃气涡轮发动机10。该燃气涡轮发动机10包括多级轴向压缩 机12、多筒燃烧器14和多级涡轮16。压缩机12吸入空气并将其压缩至更高的压力和温 度。然后压缩空气被供给至燃烧器14。在燃烧器14中，进入的压缩空气与燃料混合，且 燃料_空气混合物燃烧以产生高压和高温的燃烧气体。这些燃烧气体被排放至涡轮16。 涡轮16从燃烧气体提取能量。从涡轮16提取的能量可用于多种目的，例如产生电力， 提供推进推力或为船舶或原动机应用提供轴功率。参考图2和3，燃烧器14包括多个燃烧器筒16。各燃烧器筒16包括具有上游 的圆顶端的环形燃烧器衬里18，预混合器20位于该圆顶端处。各预混合器20具有对应 的燃料喷射器22，用于将燃料22喷射进入例如预混合器，以便燃料与一部分压缩空气24 混合，将该混合物适当地点燃以在燃烧器衬里18内部产生燃烧气体流26。该燃烧气体流 26排入环形高压涡轮机喷嘴28。环绕着燃烧器衬里的是环形护罩或壳体30，该环形护罩或壳体30限定衬里周围 的环形集管，压缩空气24以常规的方式被引导通过该环形集管，用以冷却衬里自身以及 将空气提供至预混合器。燃烧器14为环形，且通常关于发动机的纵向或轴向中心轴线对称，并且包括如 图3中图示的一排大体上相同的燃烧器筒16。因为各燃烧器衬里20在径向截面上通常为 圆柱形的或环形的，各燃烧器筒16还包括在对应的出口 34中终止的整体过渡件32。来 自对应的燃烧器筒的过渡件出口 34在燃烧器的周边周围彼此邻接，以限定用于共同将分离的燃烧气体流26排入公共的第一级涡轮机喷嘴28的分段的环面。图4图示了带有三个燃烧器筒16的燃烧器14的一部分。联焰管36连接邻近的 燃烧器筒16。联焰管36从邻近的燃烧器筒中已点燃的燃料提供一个燃烧器筒中燃料的 点燃，从而消除了在各燃烧器筒中的单独的点火器的需求。具体而言，当期望筒至筒的 联焰时，其通过穿过联焰管从正在燃烧的筒向未燃烧的筒传输的热气体的压力脉冲来实 现。联焰管36也可服务于使燃烧器筒16之间的压力均衡至某一程度的目的。筒-环燃烧系统中的燃烧动态变化显示了可分为两种模式的声压分布。一种模 式的特征为邻近的燃烧器筒的同相振荡。在另一种模式中，邻近的燃烧器筒异相地波 动，也就是说，两个邻近的筒中的振型(mode-shapes)是异相的。由于跨越穿过筒的流 动路径的振型的结构，在筒的头端体积内部的压力也与相邻的筒相比异相地波动。通过 连接这些筒的流动路径，多筒燃烧器也具有在燃烧器筒之间串扰(crosstalk)的趋向。图5图示了本发明的系统50的一个实施例。该系统50包括燃气涡轮机燃烧器 52、联焰管54和管状连接系统56。燃烧器52包括多个燃烧器筒58。作为示例，图中显 示了四个燃烧器筒58和单个串扰流动路径64。联焰管54连接邻近的燃烧器筒58。管 状连接系统36包括用于连接燃烧器筒的管60。管状连接系统56控制并消除燃烧动态变化模式。在图5和6中所示的实施例 中，管60声学地连接邻近的燃烧器筒58的头端62。管60设计成使得管60的通流面积 大于联焰管54的通流面积。在一个实施例中，管62的通流面积为至少与头端62的直径 一样大，且大于筒至筒串扰通流面积。在一个实施例中，管的直径为头端直径的大约0.7 至大约1.0倍。管60起到声音路径的作用。相对于筒至筒串扰64的面积和燃烧器筒58之间的 联焰管54，管60的更大的通流面积促使燃烧器筒58之间另外的压力节点。因为由管60 的大通流面积使能的平滑压力分布，在头端62体积内部的压力幅度将有效地减小。如果管62的直径适当地大，将不会有插入的另外的阻抗阶梯(impedance step),并且平滑的压力分布将促使头端体积内部的低压力幅度，且因此使总的振型 (mode-shape)变形，并改变燃烧动态变化的频率。这将解谐火焰放热刺激和燃烧系统声 学效果，并且降低火焰位置处和燃料喷射位置处的压力幅度，并且因此使在来源(即火 焰的放热波动)和声学效果之间的相互作用衰减。取决于可在环面周围产生的圆周振型，燃烧器筒58的头端成组地连接，以分开 完整的环面并将环面分割成两个或更多部分。例如，在如图7中所示的一个实施例70 中，燃烧器筒的环面被分为两部分。环状连接系统被分为两组管。第一组管72连接第 一套筒，也就是筒“1”、“3”和“5”的头端。第二组管74连接第二套筒，也就是 筒“2”、“4”和“6”的头端。在如图8中所示的另一实施例80中，管状连接系统82包括第一管84和第二管 86。在一个实施例中，第一管为设在燃烧器筒90的头端88的环面周围的环形管。第二 管86充当头端88和第一管84之间的连接。各第二管86将燃烧器筒的头端连接至第一 管84。备选地，第二管86可用来将仅一组燃烧器筒90的头端连接至第一管84。 图9图示了环筒系统100的另一实施例。管102连接邻近的燃烧器筒104。在 一个实施例中，管连接至筒104的燃烧段106，此处出现火焰且预期有最大的放热。在一个实施例中，管102的直径为联焰连接108的直径的大约4至6倍。然而，按照硬件需要、选定的筒以及它们的相对位置，更大或更小的直径是可接受的。如前文所描述，燃烧器筒104已通过联焰管108和串扰110连接。尽管特定的筒 运行正常，但其它筒的燃烧动态变化可通过串扰或联焰管驱动正常运行的燃烧器筒。对 管状连接系统的不同构造的标准是由特定燃烧器筒的燃烧动态变化产生的声波112到 达连接的燃烧器筒，该声波112与连接的燃烧器筒中的燃烧动态变化异相，以减少或消 除在该已连接的燃烧器筒中的燃烧动态变化。例如，如果第一燃烧器筒(筒“1”)中的燃烧动态变化为“+X”单位，并且 第二燃烧器筒(筒“2” )的燃烧动态变化以“-χ”单位异相，则由第一燃烧器筒的燃烧 动态变化产生的声波112可到达第二燃烧器筒并消除第二燃烧器筒的燃烧动态变化，或 反之亦然。一个筒中的燃烧动态变化的幅度越大，连接的筒中的消除力就越强。例如， 若第一燃烧器筒中的燃烧动态变化的幅度为“+&”单位，并且第二和第四(筒“4” ) 燃烧器筒的燃烧动态变化的幅度各自为“-χ”单位，则由第一燃烧器筒产生的声波可到 达第二和第四燃烧器筒并消除第二和第四燃烧器筒的燃烧动态变化。因此，管状连接系 统114使跨越连接的筒104的燃烧动态变化能够自消除。在如图10中所示的另一实施例中，管状连接系统118的管116每隔一个燃烧器 筒进行连接。在另一实施例中，单个筒连接至多个燃烧器筒。例如，如图11中所示， 管120将第一燃烧器筒连接至第二、第三和第四燃烧器筒。由第一燃烧器筒的燃烧动态 变化产生的声波可异相地到达第二、第三(筒“3”)和第四燃烧器筒，以减少或消除在 第二、第三和第四燃烧器筒中的燃烧动态变化。通过调整筒的长度和选择，连接可针对多种模式/音调最优化。对同相和异相 模式两者均可考虑相邻筒的连接和非相邻筒的连接。管的长度和尺寸取决于目标频率及 其相关的振型。另外，筒的连接的选择取决于所得到的管几何结构和不同的筒之间的可 用空间。这也可需要到更远离原始筒的筒的直接连接。另外，连接筒的选择还取决于控 制筒的分离的系统中的筒的数目。因此，上文描述的系统提供了一种途径，以通过使燃烧器筒之间能够声学上交 互作用来控制在多筒燃烧系统中的燃烧动态变化。该系统由其自身来限制、消除或控制 燃烧动态变化。该系统可无需任何大的修改而与现有的燃气涡轮机一起使用。管状连接 系统可改型用于现有的燃气涡轮机。连接燃烧筒的联焰管的设计不需要改变。应理解的是，根据任何特定的实施例，不一定可达成上文描述的所有此类目标 或优点。因此，例如，本领域中的技术人员将认识到，本文描述的系统和技术可以以如 下方式实施或实现，即达成或最优化本文所教导的一个优点或一组优点，而不一定达成 可如本文教导或提出的其它目的或优点。尽管本文仅图示和描述了本发明的某些特征，但本领域中的技术人员将想到很 多变型和变化。因此，应理解的是所附权利要求意在覆盖落在本发明的真实精神内的所 有此类变型和变化。
权利要求
1.一种系统(50)，包括燃气涡轮机燃烧器(52)，其具有多个燃烧器筒(58)； 联焰管(54)，其连接所述燃烧器筒(58)；以及管状连接系统(56)，其连接所述燃烧器筒(58)以控制燃烧动态变化，所述管状连接 系统(56)包括用于连接至少一对所述燃烧器筒(58)的管(60)。
2.根据权利要求1所述的系统(50)，其特征在于，所述管(60)连接邻近的燃烧器筒 (58)。
3.根据权利要求1所述的系统(50)，其特征在于，所述管(60)包括至少两组管(72， 74)，且各组所述管仅连接一套所述燃烧器筒(60)。
4.根据权利要求1所述的系统(50)，其特征在于，所述管(60)连接所述燃烧器筒 (58)的头端(62)。
5.根据权利要求4所述的系统(50)，其特征在于，所述管(60)的直径为所述头端 (62)的直径的大约0.7至大约1.0倍。
6.根据权利要求1所述的系统(50)，其特征在于，所述管(60)的尺寸设置成以便使 述管(60)的通流面积大于所述联焰管(54)的通流面积。
7.根据权利要求1所述的系统(50)，其特征在于，所述管(60)的尺寸设置成以便使 所述管(60)的通流面积大于筒至筒串扰(64)的面积。
8.根据权利要求1所述的系统(50)，其特征在于，所述管(60)将所述燃烧器筒中的 燃烧器筒连接至所述燃烧器筒(58)中的多个其它燃烧器筒。
9.根据权利要求1所述的系统(50)，其特征在于，所述管(60)连接交替的燃烧器筒。
10.根据权利要求1所述的系统(50)，其特征在于，所述管(60)包括第一管(84)和 至少一根第二管(86)，所述至少一根第二管(86)将所述燃烧器筒(90)的头端(88)连接 至所述第一管(84)。
全文摘要
本发明涉及燃气涡轮机燃烧动态变化控制系统，具体而言，提供了一种系统(50)，该系统(50)包括具有多个燃烧器筒(58)的燃气涡轮机燃烧器(52)，连接燃烧器筒(58)的联焰管(54)和连接燃烧器筒(58)以控制燃烧动态变化的管状连接系统(56)。管状连接系统(56)包括用于连接至少一对燃烧器筒(58)的管(60)。
文档编号F23R3/48GK102022192SQ201010294350
公开日2011年4月20日 申请日期2010年9月17日 优先权日2009年9月18日
发明者K·K·辛赫, Q·张, S·G·贝思克, S·斯里尼瓦桑, 普里塔姆, 金冠佑, 韩飞 申请人:通用电气公司