专利名称：衰减燃烧室内压力振荡的谐振装置和操作燃烧布置结构的方法
技术领域：
本发明涉及用于衰减(或称抑制)燃烧室内压力振荡的谐振装置和操作燃烧布置结构的方法。具体地，本发明涉及用于衰减燃烧室内压力振荡的谐振装置，该谐振装置可被调节以衰减如下振荡，该振荡具有根据燃烧室运行条件的变化而变化的频率。而且，本发明涉及操作燃烧布置结构的方法，其包括对燃烧室内的如下压力振荡进行衰减，该压力振荡是对于燃烧室的不同运行条件可调节的。
背景技术：
在燃烧室中，诸如在燃气轮机的燃烧室中，燃料和压缩空气的混合物被燃烧。因此，压缩空气和燃料被供应到燃烧室，燃烧产物从燃烧室排出 ，产生物质流。由于燃料和压缩空气的供应，以及由于燃烧产物的排出，压力振荡在燃烧室内发展，这可以用压力振荡频率来表征。压力振荡频率可能具体取决于所供应的燃料和所供应的压缩空气的质量和/或流速，以及取决于排出的燃烧室产物的质量和/或流速，并且还取决于燃烧室的几何形状。典型的压力振荡频率可以在50Hz和1500Hz的范围内，特别是在大约IOOHz左右。这些压力振荡会不利地影响燃烧室的工作，特别是影响包括燃烧室在内的燃气轮机的运行。为了衰减燃烧室内的压力振荡，已知的是，在燃烧室中附连所谓的赫尔姆霍茨(Helmholtz)谐振器，使赫尔姆霍茨谐振器的内部与由燃烧室限定的燃烧空间连通。由DE 10 2005 052 881 Al可知一种包括燃烧室的加热装置，其中燃烧室连接到流动通道，流动通道耦连到赫尔姆霍茨谐振器，以用于衰减压力振荡。赫尔姆霍茨谐振器内包含的气体温度可被改变，以使赫尔姆霍茨谐振器的工作频率适应燃烧室内的振荡。EP O 974 788 Al公开了一种具有喷嘴布置结构的、用于衰减流动通道内的振荡的赫尔姆霍茨谐振器，该喷嘴布置结构用于在进入流动通道之前生成空气和液体的混合物。GB 2，288，660 A公开了一种用于衰减燃气轮机燃烧室中的热声振动的设备，其中赫尔姆霍茨谐振器连接到燃烧室，用于衰减燃烧室振荡。此文献还公开了一种控制系统，其基于测量的燃烧室内的两个压力的相位差分别控制用于加热赫尔姆霍茨谐振器内的气体的加热元件和赫尔姆霍茨谐振器。已经观察到，在变化的运行条件下，燃烧室可能不会满意地工作。可能需要一种谐振装置，其适于衰减燃烧室内的压力振荡，其特别适于燃烧室的不同运行条件。特别地，可能需要一种适于衰减时间上快速变化的不同频率的压力振荡的谐振装置，并且还可能需要一种在不同运行条件下操作燃烧布置结构的方法。
发明内容
此需求可通过独立权利要求所述的主题来满足。本发明的有利实施例由从属权利要求来描述。
根据一个实施例，提供了一种用于衰减燃烧室内压力振荡的谐振装置，其中，该谐振装置包括充有气体的容器；所述容器中的开口 ；和适于产生火焰的加热元件，其中所述火焰被设置成加热所述容器中的气体。燃烧室可具体为燃气轮机的燃烧室。谐振装置可连接到该燃烧室，从而使得容器中的开口提供燃烧室内部和容器内部之间的连通。根据容器的几何形状，容器内所充气体的类型，容器内所充气体的温度，容器内所充气体的压力和/或容器中开口的几何形状，谐振装置可具有特定的谐振频率，其表示谐振时在谐振装置内出现的压力振荡的频率。特别地，容器可包括主体部分和连接到主体部分的颈部部分，其中颈部部分提供了收缩，并在相对于主体部分的颈部远端具有开口。特别地，还有几何形状，特别是颈部的有效长度以及主体部分和颈部部分的体积，和/或颈部部分的横截面面积可影响谐振装置 的谐振频率。特别地，谐振装置可用作赫尔姆霍茨谐振器，用于衰减压力振荡。加热元件可连接到容器(或者连接到容器的主体部分，或者连接到颈部部分)，以用加热元件产生的火焰来加热容器内的气体。谐振装置可包括设置于不同位置的一个或多个加热元件。特别地，由加热元件产生的火焰可被改变(例如通过利用流动性物质)，从而引起容器内所充的气体对流，使得容器内不同方位的温度波动快速平衡，以在容器内提供均匀或至少近似均匀的温度分布。通过提供适于产生火焰的加热元件，可快速改变容器内所充气体的温度，从而可快速改变谐振装置的谐振频率。因而，谐振装置适于在不同运行条件下衰减燃烧室内的压力振荡。因此，配置有谐振装置的燃烧室的效率可得以提高。而且，对燃烧室的不同运行条件，不要求提供不同的谐振装置。根据一个实施例，加热元件适于使用等离子体辅助燃烧来产生火焰。要了解关于等离子体辅助燃烧技术,请参见如下论文“Plasma Assisted Combustion Technologies”，Matveev, S. Matveeva, E. Kirchuk,Proceedings of the European Combustion Meeting2009 和如下网站 http://www. plasmacombustion. com/iwepac. html。在等离子体辅助燃烧中，例如通过施加在两个支持燃料燃烧的电极之间建立的高电场来形成等离子体。而且，通过围绕燃烧过程的核心设置气流(特别是螺旋形气流)，可将燃烧过程局限或定位在小的体积内。燃烧过程还可被局限或定位在等离子体辅助燃烧装置的出口或喷嘴处提供的狭窄火焰内。等离子体辅助燃烧技术进一步由高加热功率、高温火焰和从等离子体辅助燃烧装置排出的高速燃烧物质来表征。由于高加热功率、高温火焰和火焰参数的准确可控制性，谐振装置的谐振频率可被快速改变，以在不同运行条件下衰减燃烧室内的压力振荡。根据一个实施例，火焰包括速度为25米/秒到500米/秒速度，特别是50米/秒到300米/秒的气流。特别地，加热元件可被配置成产生包括如下流动气体的火焰，该流动气体具有25米/秒到500米/秒的速度，特别是50米/秒到300米/秒的速度。由于构成火焰的炽热燃烧物质的高速度，使得火焰内包括的热能通过对流被快速分布到谐振装置的容器中。因此，谐振装置的谐振频率可被快速改变以适合燃烧室的不同运行条件。根据一个实施例，加热元件提供了(或适于提供，或适于供应)0.01 kW到3kW，特别是0. Ikff到3kW，特别是IkW到3kW的加热功率。由于加热元件的这种高的加热功率，使得当加热元件进行加热时，容器内的气体快速改变其温度。因此，谐振装置特别适于在容器内产生气体的巨大温度变化，这又会产生容器内气体的声音速度的巨大变化，而这继而又会产生谐振装置的谐振频率的巨大变化。根据一个实施例，火焰具有500°C到3000°C的温度。特别地，加热元件物理上适于(或被配置为)产生具有500°C到3000°C温度的火焰。火焰温度应被理解为限定了在由经历化学反应的火焰发光物质所限定的体积区域内的物质的温度。因此，谐振装置适于衰减具有大频率范围的压力振荡。根据一个实施例，加热元件包括逆旋涡等离子体发生器。逆旋涡等离子体发生器可具体地包括圆柱形容器，其中产生所谓的第一气体(例如空气)的逆旋涡流(即与燃料气体混合物的轴向流动方向相反的方向上的漩涡形流动)。而且，第二气体(例如空气和燃料)可从圆柱形容器的一端沿轴向方向(例如沿容器的对称轴线)引入，因此可被局限或定位成靠近容器的对称轴线。第一气体和第二气体可被离子化，第二气体可通过圆柱体沿其通道自主点燃(或通过施加电场来点燃)，在圆柱体的出口产生火焰。特别地，火焰可包括具有50米/秒到300米/秒之间速度的炽热或燃烧着(化学反应)的物质。根据一个实施例，加热元件适于产生等离子体焰炬。 根据一个实施例，谐振装置的实施例被包括于燃烧布置结构中，该燃烧布置结构还包括一个限定了用于燃烧燃料的燃烧空间的燃烧室，其中所述谐振装置的容器连接到所述燃烧室，使得所述容器的内部通过所述谐振装置的开口与燃烧空间连通，其中特别地，所述谐振装置具有的谐振频率等于正常负载条件下所述燃烧室内的压力振荡频率。特别地，谐振频率可以至少近似等于(即至少为10%的准确度，特别是为5%的准确度)正常负载条件下燃烧室内的压力振荡频率。因此，谐振装置的谐振频率可被定义为当谐振装置容器内所充的气体具有环境温度，特别是50°C到15°C的温度，特别是20°C的温度时的谐振频率。在“正常负载条件”下，工作模式被理解为不在燃气轮机的启动或停机过程中。特别地，燃烧室可以用基本上不可更改的燃料供应来运行，并且具有随时间基本不变的温度。“正常负载条件”可限定燃烧室具有最高效率的工作模式。“正常负载条件”可被认为是燃气轮机的和燃烧室的一种稳定状态，在该状态中只需要进行小的控制动作。燃烧空间可通过开口声学地耦连到谐振装置的容器内部，使得燃烧室内由于燃烧过程或者由于空气和燃料流的供应，或由于排出的燃烧产物的流动而出现的压力振荡可传送到开口，以引起谐振装置容器内所充空气的振荡激励。在燃烧室内的振荡和谐振装置容器内的振荡之间可能有相移，使得燃烧室内的振荡被衰减，具体是通过对谐振装置容器内的振荡进行破坏性干扰。由于谐振装置的加热能力，其谐振频率可被快速改变，以同样衰减在不同于正常负载条件的条件下燃烧室内出现的压力振荡。因此，可在宽范围的运行条件或负载条件下使用燃烧室，而不需要使用多于一个的谐振装置。根据一个实施例，燃烧布置结构进一步包括压力测量探测器，其测量燃烧空间内的压力振荡；温度测量探测器，其测量所述容器内气体的温度；和控制系统，其适于基于测量的燃烧空间内的压力振荡和测量的所述容器内的温度来控制所述加热元件。压力测量探测器可以是用于感测压力振荡的任何传感器。特别地，一个或多个压力测量探测器可设置在燃烧空间内的一个或多个方位。谐振装置的开口(特别地，其被设置在谐振装置颈部部分的远端)可被布置和连接到燃烧室的一个位置，在该位置出现燃烧室内最高压力振荡。因此，谐振装置的衰减功能的效率可被优化。进一步地，或者替代性地，谐振装置的最佳位置，特别是提供谐振装置的容器和燃烧室之间连通的谐振装置开口的最佳位置可由计算机模拟整个燃烧布置结构、燃烧室或通过实验测试来得到。温度测量探测器可以是用于测量温度的任何传感器。一个或多个温度测量探测器可设置在容器内的一个或多个方位，能够测量整个容器中的温度分布。控制系统可连接到一个或多个压力测量探测器，及一个或多个温度测量探测器，和加热元件以读取测量值，并向加热元件发送控制信号以调节加热功率，加热元件的火焰的温度和/或加热元件的其它参数。控制系统可包括用于处理测量值的处理模块，特别是用于得到燃烧空间内的压力振荡的频率。而且，控制系统可包括处理模块内的程序代码，以得到容器内的气体温度，对此，谐振装置具有特定的谐振频率，特别是使用一个或多个压力测量探测器测量的燃烧空间内的压力振荡的频率。控制系统可进一步包括用于存储系统参数和程序代码的存储模块。根据一个实施例，所述控制系统适于在所述燃烧室工作于与正常负载条件不同的
条件时，控制所述加热元件以改变所述容器内的气体温度，使得燃烧空间内压力振荡的频率等于(特别是至少近似等于，特别是至少在10%准确度内，特别是在5%的准确度内)填充有气体的容器的谐振频率，该谐振频率根据所述容器内气体的温度的变化而变化。因此，即使对于燃烧室的不同负载条件，燃烧室内的压力振荡可有效地被谐振装置衰减。因此，燃烧室可在不同的运行条件下以优化方式工作。根据一个实施例，提供了一种操作燃烧室布置结构的方法，其中，该方法包括在由燃烧室限定的燃烧空间中燃烧燃料；在所述燃烧室内产生压力振荡，具体是通过燃烧的燃料来产生该压力振荡；使用加热元件产生火焰，以加热与所述燃烧室连接的容器内的气体，所述容器的内部通过所述容器中的开口与所述燃烧室连通；和衰减所述燃烧室内的压力振荡。燃烧室内的压力振荡可替代性地或额外地由供应到燃烧室的燃料和/或空气的流动来产生。燃烧室内压力振荡的衰减可能是由于燃烧空间和谐振装置的容器内部之间的声学耦连造成。因此，燃烧室内压力振荡的频率可以至少近似与由容器和容器中的开口形成的谐振装置的谐振频率匹配，其中谐振装置的此谐振频率可取决于容器内的气体温度。根据一个实施例，所述操作燃烧布置结构的方法进一步包括使用压力测量探测器测量所述燃烧空间中的压力振荡；使用温度测量探测器测量所述容器内的气体温度；和基于测量的压力振荡和测量的温度，使用控制系统控制所述加热元件。因此，特别是加热元件可被控制，使得谐振装置的谐振频率至少近似与燃烧空间内的压力振荡频率匹配。根据一个实施例，所述操作燃烧布置结构的方法进一步包括控制所述加热元件以当所述燃烧室工作在与正常负载条件不同的条件时，改变所述容器内的气体温度，使得燃烧空间内压力振荡的频率(与正常负载条件下的频率相比而变化)等于(特别是至少近似等于，特别是至少在10%的准确度内，特别是在5%内)容器的谐振频率，该谐振频率根据所述容器内气体的温度的变化而变化。因此，即使在燃烧室的变化负载条件下，燃烧室内的压力振荡可有效地被谐振装置衰减。根据一个实施例，所述操作燃烧布置结构的方法进一步包括以至少每秒50°C的速率增加所述容器内的气体温度。通过以此高速率改变容器内的气体温度，谐振装置的谐振频率可被快速改变，因此在连续衰减燃烧室内的压力振荡时可以达到燃烧室的快速负载改变。必须注意的是，已经参照不同主题描述了本发明的实施例。具体地，已经参照方法类型权利要求描述了一些实施例，而参照设备类型权利要求描述了其它实施例。然而，本领域技术人员会从上面和下文的描述中得到，除非另外指出，除了属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，关于不同主题的特征之间的任何组合，具体是方法类型权利要求的特征和设备类型权利要求的特征之间的任何组合认为被此文献公开。通过后面将描述的实施例的例子可明白本上面限定的发明的方面和其它方面，将参照实施例的例子对这些方面进行解释。将参照实施例的例子在下文对本发明进行更加详细的描述，但本发明并不局限于此。
现在参照附图，描述本发明的实施例。图I示意性示出了根据一个实施例的谐振装置。
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图2示意性示出了根据一个实施例的逆旋涡等离子体发生器；其可用作图I所示谐振装置中的加热元件。图3示意性示出了根据一个实施例的燃烧布置结构和根据一个实施例的操作燃烧布置结构的方法。
具体实施例方式图中的图示是示意性的。注意的是，在不同图中，给相似或相同元件提供相同附图标记或提供只有第一位不同的相应附图标记。图I示意性示出了用于衰减燃烧室内的压力振荡的谐振装置101。谐振装置101包括充有气体如空气的容器102，并包括加热元件103，其适于用作逆旋涡等离子体发生器。谐振装置的容器102包括主体部分104和颈部部分105。主体部分104包括一个圆柱形容器，其与颈部部分105连通，颈部部分105也具有圆柱形形状，但与谐振装置101的主体部分104的直径Dl相比，具有更小的直径D2。主体部分具有长度LI，颈部部分具有长度L2。在颈部部分105的远端，谐振装置I具有开口 106，通过该开口谐振装置I可与燃烧室的燃烧空间连通，以衰减燃烧室内的压力振荡。根据以下公式，谐振装置101的几何形状控制谐振装置的谐振频率f
权利要求
1.一种用于衰减燃烧室(330)内的压力振荡的谐振装置(101，301)，所述谐振装置包括 充有气体的容器(102，302); 所述容器中的开口(106，306);和 适于产生火焰的加热元件(103，303)， 其中所述火焰被设置成加热所述容器内的所述气体。
2.根据权利要求I所述的谐振装置，其中所述加热元件适于利用等离子体辅助燃烧来产生所述火焰。
3.根据权利要求I或2所述的谐振装置，其中所述加热元件被配置成产生包括如下流动气体的火焰，所述流动气体具有25米/秒到500米/秒的速度，特别是50米/秒到300米/秒的速度。
4.根据权利要求1-3之一所述的谐振装置，其中所述加热元件适于提供O.OlkW到3kW的加热功率。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的谐振装置，其中所述加热元件适于产生500°C到3000°C温度的火焰。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的谐振装置，其中所述加热元件包括逆旋涡等离子体发生器(203)。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的谐振装置，其中所述加热元件适于产生等离子体焰炬。
8.一种燃烧布置结构，包括 燃烧室(330)，用于限定用于燃烧燃料的燃烧空间； 根据权利要求1-7中任一项所述的谐振装置(301)， 其中所述容器连接到所述燃烧室，使得所述容器的内部通过所述开口(306)与所述燃烧空间连通， 其中所述谐振装置具有的谐振频率等于正常负载条件下所述燃烧室内的压力振荡频率。
9.根据权利要求8所述的燃烧布置结构，进一步包括 压力测量探测器(337)，其测量所述燃烧空间内的压力振荡； 温度测量探测器(111，311)，其测量所述容器内的气体温度；和 控制系统(109，309)，其适于基于测量的所述燃烧空间内的压力振荡和测量的所述容器内的温度来控制所述加热元件。
10.根据权利要求9所述的燃烧布置结构，其中所述控制系统适于在所述燃烧室工作于与正常负载条件不同的条件时，控制所述加热元件以改变所述容器内的气体温度，使得燃烧空间内压力振荡的频率等于充有气体的所述容器的谐振频率，所述谐振频率根据所述容器内气体温度的变化而变化。
11.一种操作燃烧布置结构的方法，所述方法包括 在由燃烧室限定的燃烧空间中燃烧燃料； 通过燃烧的燃料在所述燃烧室内产生压力振荡； 利用加热元件产生火焰，以加热与所述燃烧室连接的容器内的气体，所述容器的内部通过所述容器中的开口与所述燃烧室连通；和 对所述燃烧室内的压力振荡进行衰减。
12.根据权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括 使用压力测量探测器测量所述燃烧空间内的压力振荡； 使用温度测量探测器测量所述容器内的气体温度；和 基于测量的压力振荡和测量的温度，利用控制系统来控制所述加热元件。
13.根据权利要求11或12所述的方法，所述方法进一步包括 控制所述加热元件，以当所述燃烧室工作于与正常负载条件不同的条件时，改变所述容器内的气体温度，使得燃烧空间内压力振荡的频率等于所述容器的谐振频率，所述谐振频率根据所述容器内气体温度的变化而变化。
14.根据权利要求11-13中任一项所述的方法，所述方法进一步包括 以至少每秒50°C的速率增加所述容器内气体的温度。
全文摘要
本发明描述了一种用于衰减燃烧室(330)内的压力振荡的谐振装置(101，301)，该谐振装置包括充有气体的容器(102，302)；所述容器中的开口(106，306)；和适于产生火焰的加热元件(103，303)，其中火焰被设置成加热所述容器中的气体。所述谐振装置被包括于燃烧布置结构中，所述燃烧布置结构还包括限定了用于燃烧燃料的燃烧空间的燃烧室(330)，其中所述容器连接到所述燃烧室，使得所述容器的内部通过所述开口(306)与所述燃烧空间连通，其中所述谐振装置具有的谐振频率等于正常负载条件下所述燃烧室内的压力振荡频率。
文档编号F23M99/00GK102822601SQ201180018758
公开日2012年12月12日 申请日期2011年3月8日 优先权日2010年4月13日
发明者G.布拉特 申请人:西门子公司