燃烧器拱顶缓冲器系统的制作方法

相关申请的交叉引用

不适用。

本发明大体上涉及用于控制燃气涡轮燃烧系统中的燃烧动态的设备和方法。更特别地，燃烧系统提供成具有燃烧器拱顶(combustordome)和多个拱顶缓冲器(domedamper)机构以用于减少燃烧系统内的压力波动。

背景技术：

为了减少来自燃气供能的涡轮的污染排放量，政府机构已经颁布要求减少氮氧化物(nox)和一氧化碳(co)的量的多个法令。更低的燃烧排放通常可归因于更有效的燃烧过程，特别是关于燃料喷射器位置、空气流率和混合效率。

早期燃烧系统使用扩散类型喷嘴，其中燃料接近火焰区域通过扩散与燃料喷嘴外的空气混合。扩散类型喷嘴由于以下事实而在历史上产生相对高的排放：燃料和空气在没有混合的情况下，且在高温度下化学计量学地，基本上通过相互作用而焚烧，以维持适当的燃烧器稳定性和低燃烧动态。

燃烧技术中的增强是在燃烧之前预混合燃料和空气以形成均质混合物的构思，该均质混合物在比扩散类型火焰低的温度下燃烧，且因此产生更低的nox排放。预混合可在燃料喷嘴之内或其之外发生，只要其在燃烧区域的上游。预混合燃烧器的示例具有多个燃料喷嘴，它们各自喷射燃料到预混合腔中，在那里，燃料在进入燃烧室之前与来自气室的压缩空气混合。在燃烧之前将燃烧和空气预混合在一起允许燃料和空气形成更加均质的混合物，该混合物在被点燃时将更完全地焚烧，从而引起更低的排放。然而，由于预混合燃烧器中固有的混合和燃烧过程，燃烧系统内的压力将波动，且变化的压力波动如果得不到适当控制则可对燃烧硬件导致损害。

技术实现要素：

本发明公开了一种用于减少多级预混合燃气涡轮燃烧器中的燃烧动态的设备和方法。更特别地，在本发明的实施例中，提供了一种用于燃气涡轮燃烧器的拱顶组件，该拱顶组件具有带有大体上半球形截面的拱顶板、拱顶板中的多个开口、和多个拱顶缓冲器(它们各自包围相应的开口)。拱顶缓冲器包括具有腔的缓冲器本体、固连至缓冲器端部的可移除盖板、和位于缓冲器本体周围的多个吹扫孔。

在本发明的备选实施例中，公开了一种燃气涡轮燃烧系统，其包括位于流动套筒的径向内侧的大体上柱状的燃烧衬套、和定位在燃烧的径向外侧以用于引导燃料流与进入燃烧衬套的空气混合的一组主燃料喷射器。燃烧器拱顶组件包围燃烧衬套的入口端部，且具有带有大体上半球形截面的拱顶板、拱顶板中的多个开口、和多个拱顶缓冲器(它们各自包围相应的开口)。缓冲器中的各个具有缓冲器本体和固连至其的可移动盖板以形成位于缓冲器本体中的缓冲器容积和吹扫孔。

在本发明的又一实施例中，提供了一种调节燃气涡轮燃烧器中的燃烧动态的方法。该方法包括提供一种具有燃烧器拱顶的燃烧系统，在燃烧器拱顶中存在多个开口，开口中的各个由拱顶缓冲器环绕。确定待控制的期望频率中的一个或更多个，且然后确定将该一个或更多个期望燃烧频率作为目标所需的容积。确定传递到该多个缓冲器中的吹扫空气流的期望量，且将盖板固连至各拱顶缓冲器的端部，其中盖板助于在各缓冲器内形成期望容积，其中该期望容积在大小上足以适当地缓冲燃烧系统中的压力波动。

在本发明的又一实施例中，提供了一种用于燃气涡轮燃烧器的拱顶组件，其具有带有大体上半球形截面的拱顶板、定位在拱顶板附近的转接板、从转接板延伸的一个或更多个谐振器盒和多个拱顶缓冲器。

本发明的额外优点和特征部分地将在随后的描述中阐述，且部分地在检查以下时变得对于本领域技术人员而言显而易见，或可从本发明的实施学习到。现在将特别参照附图描述本发明。

附图说明

在下文将参照附图详细地描述本发明，在附图中：

图1是根据本发明的实施例的燃气涡轮燃烧系统的截面。

图2是根据本发明的实施例的燃气涡轮燃烧器的一部分的透视图。

图3是根据本发明的实施例的图2的燃气涡轮燃烧器的该部分的备选透视图。

图4是根据本发明的实施例的图2的燃气涡轮燃烧器的一部分的端视图。

图5是根据本发明的备选实施例的图2的燃气涡轮燃烧器的相反端视图。

图6是根据本发明的实施例的穿过图2中绘出的燃气涡轮燃烧器的该部分截取的截面。

图7是根据本发明的实施例的图6的燃气涡轮燃烧器的一部分的详细截面图。

图8是根据本发明的实施例的图6的燃气涡轮燃烧器的缓冲器部分的详细截面图。

图9是根据本发明的实施例的穿过图2中绘出的燃气涡轮燃烧器的一部分截取的备选截面。

图10是根据本发明的备选实施例的燃气涡轮燃烧器的一部分的透视图。

图11是根据图10的本发明的备选实施例的燃气涡轮燃烧器的一部分的备选透视图。

图12是根据本发明的备选实施例的图10的燃气涡轮燃烧器的一部分的端视图。

图13是根据本发明的备选实施例的图10的燃气涡轮燃烧器的相反端视图。

图14是根据本发明的备选实施例的图10的燃气涡轮燃烧器的截面。

图15是根据本发明的备选实施例的图14的燃气涡轮燃烧器的该部分的缓冲器部分的详细截面图。

图16是根据又一备选实施例的燃气涡轮燃烧器的缓冲器部分的详细截面图。

图17是根据又一备选实施例的图16的燃气涡轮燃烧器的缓冲器部分和拱顶板区的局部透视图。

图18是根据额外实施例的燃气涡轮燃烧器的缓冲器部分的详细截面图。

图19是根据额外实施例的图18的燃气涡轮燃烧器的缓冲器部分和拱顶板区的局部透视图。

图20是根据本发明的备选缓冲器支撑构造的燃气涡轮燃烧器的一部分的透视图。

图21是图20的燃气涡轮燃烧器的一部分的透视图。

图22是图21的燃气涡轮燃烧器的缓冲器部分的详细透视图。

图23是图21的燃气涡轮燃烧器的缓冲器部分的截面图。

图24是根据本发明的实施例的转接板的前面的透视图。

图25是根据本发明的实施例的图24的转接板的后面的透视图。

图26是略述根据本发明的又一实施例的调节燃烧器动态的方法的流程图。

具体实施方式

本发明公开了一种用于燃气涡轮燃烧系统的拱顶组件，其用在预混合燃烧系统中以助于减少燃烧动态，且在图1-26中详细示出。如本领域技术人员理解的，燃气涡轮发动机通常包括多个燃烧器。大体上，为了论述目的，燃气涡轮发动机可包括低排放燃烧器（诸如本文公开的那些）且可围绕燃气涡轮发动机以筒环形构造配置。一种类型的燃气涡轮发动机(例如，重载燃气涡轮发动机)可通常设有但不限于六至十八个独立燃烧器，它们中的各个与在上面略述的构件配合。因此，基于燃气涡轮发动机的类型，可存在用于操作燃气涡轮发动机的若干不同燃料回路。

特别地参照图1，以截面示出根据本发明的实施例的燃气涡轮燃烧系统100。燃气涡轮燃烧系统100包括大体上柱状的燃烧衬套102，燃烧衬套102具有中心轴线a-a且定位为与流动套筒104同轴且径向在其内。燃烧衬套102具有入口端部106和相反的出口端部108。

燃气涡轮燃烧系统100还包括定位在燃烧衬套102的径向外侧且在流动衬套104的上游端部附近的一组主燃料喷射器110。图1中公开的燃烧系统100是基于发动机的负载包括四个燃料喷射级的多级预混合燃烧系统。然而，预想可修改特定燃料回路和相关的控制机构，以包括更少的或额外的燃料回路。

对于图1中所示的本发明的实施例，主燃料喷射器110位于燃烧衬套102的径向外侧且围绕燃烧衬套102以环形阵列的形式散布。主燃料喷射器110分成两级，其中第一级围绕燃烧衬套102延伸近似120度，且第二级围绕燃烧衬套102延伸剩余的环形部分，或近似240度。主燃料喷射器110的第一级用于在燃烧衬套102中生成主1火焰，而主燃料喷射器110的第二级用于在燃烧衬套中生成主2火焰。

燃气涡轮燃烧系统还包括燃烧器拱顶组件112，燃烧器拱顶组件112包围燃烧衬套102的入口端部106。燃烧器拱顶组件112从该组主燃料喷射器110附近延伸至拱顶板114，其中，拱顶板114具有大体上半球形截面，其中拱顶板114定位在燃烧衬套102的入口端部106前方一定距离处且转向以延伸一定距离到燃烧衬套102中。燃烧器拱顶组件的形状在图6中也可见。现在参照图2至图9，燃烧器拱顶组件112包括在拱顶板114中的多个开口116，其中开口116中的各个具有直径d和颈部长度l。优选地，开口116具有圆形截面，但其他形状是可能的。开口116在拱顶板114中定向成以便优选地与燃烧系统100的中心轴线a-a平行。多个拱顶缓冲器118与燃烧衬套相反地远离拱顶板114延伸。参照图8，拱顶缓冲器118中的各个包围开口116中的一个且包括缓冲器本体120，缓冲器本体120具有位于其中的开口。因此，对于拱顶板114，拱顶缓冲器118围绕燃烧系统100的中心轴线a-a定向在环形阵列中。可移除盖板122固连于缓冲器本体120的与开口116相反的端部以形成缓冲器容积124。缓冲器本体120还包括多个吹扫孔126。

拱顶缓冲器118以安置预定体积的空气，以便提供足以对燃烧衬套102内的压力波动进行缓冲的空气体积的方式远离燃烧衬套102延伸。拱顶缓冲器118借助于吹扫孔126而被供应压缩空气，吹扫孔126在本发明的实施例中沿缓冲器本体120的侧面定位，且在直径和量方面都将大小设定成确保足够体积的压缩空气提供至缓冲器容积124。吹扫孔126的精确位置和间距可变化。即，吹扫孔126可位于缓冲器本体120或盖板122周围。

在操作中，来自燃烧器的压力波向上游朝拱顶板114行进，经过拱顶板114中的开口116，且进入由缓冲器本体120和盖板122形成的缓冲器容积124中。一旦在缓冲器容积124中，则该波遇到该体积的压缩空气。额外体积的空气用于生成与入射波不同相的波，类似于弹簧和减震器操作以对抗机动车辆的运动的方式。即，缓冲器中的该体积的空气对抗向上行进通过燃烧器的压力波。

如上文论述的那样，拱顶缓冲器118和对应的缓冲器容积124在大小方面设定成特别地将该缓冲器的特定谐振频率作为目标，以便对抗燃烧系统中的特定频率或压力振荡。如本领域技术人员理解的那样，用于缓冲器的谐振频率的基本公式是fres=c/2/π*sqrt(aneck/lneck,eff/vdamper)，其中fres是缓冲器的谐振频率，c是声速，aneck是将缓冲容积连接至燃烧器的开口116的截面面积，lneck,eff是开口116的有效长度l且vdamper是缓冲器的容积。因此，改变开口116的截面面积、其长度l和容积124可各自影响缓冲器的谐振频率。例如，减小缓冲器的容积使缓冲器谐振频率升高，而增大缓冲器的容积使缓冲器谐振频率降低。此外，开口116或开口的“颈部”的长度l也可变化。即，如果颈部区的长度l增大，则缓冲器的谐振频率降低，且如果颈部区的长度l减小，则缓冲器的谐振频率升高。用于确定缓冲器的谐振频率的最终变量是开口116的面积。如果开口116的面积增大(通过更大的直径d)，则缓冲器的谐振频率升高，而如果开口116的面积减小(通过更小的直径d)，则缓冲器的谐振频率降低。因此，取决于试图缓冲的频率，可修改缓冲器上的各种元件，以将一个或更多个特定频率作为目标。

对于由拱顶缓冲器结构作为目标的频率，在预混合类型燃烧系统(诸如图1中所示的燃烧系统)中，通常高度关注1-10khz的范围中的高频率(尖叫)。然而，50-500hz的范围中的更低频率也可作为目标。当将尖叫或高频率作为目标时，典型的缓冲器尺寸包括近似5mm-25mm的颈部长度l和近似5mm-15mm的颈部直径d。当将更低频率作为目标时，通常的颈部长度l更长(大约近似20mm-200mm)，而颈部直径d为近似10mm至100mm。因此，表达这些几何需要的一种方式是通过直径d与颈部长度l的比值，其对于本发明的实施例而言为近似0.2至2.0。

关于吹扫孔126，所有吹扫孔126的等同的面积限定穿过缓冲器的总质量流量且因此限定颈部中的速率，这又限定缓冲性能。吹扫孔126的总面积与开口116的面积(或aneck)相比一般要小，使得跨过缓冲器的压降中的大部分在吹扫孔126处产生。例如，所有吹扫孔126的总面积是aneck(或开口116的面积)的近似10%或更少。对于图1-9中绘出的实施例，且特别地参照图7-9，缓冲器本体120中的各个具有六个吹扫孔126。对于更高速率流，通常需要更多吹扫孔126。

如上文论述的那样，存在其可调整以调整缓冲器谐振频率的三个主变量：颈部的面积(因此直径d)、颈部的长度(长度l)和缓冲器的容积。然而，作为实际的一点，一旦硬件已经制造，则在于操作期间确定应当对燃烧器的不同频率进行缓冲的情况下，并非所有的这些变量都可改变。例如，难以在完成的燃烧系统上改变开口116的大小和开口的长度l。然而，可修改的一个此种变量是缓冲器的容积。对于图2、4和6-8中绘出的构造，缓冲器容积124可借助于可移除盖板122或插塞状的板来修改。可移除盖板122通过可移除紧固件128(诸如卡环、夹子、带螺纹体或螺栓)固连至缓冲器本体120。此紧固机制提供移除盖板122且将其替换成具有不同大小的盖板的容易的方式，从而形成不同的缓冲器容积124。为了使调换盖板122的过程容易，各盖板通常具有凹穴130，工具可放置在该凹穴130中以助于移除盖板122。之后，新的盖板122可被置于合适的位置且然后固连至缓冲器本体120中的一个或更多个。

图1-9中所示的缓冲器本体120是大体上柱状的且以环形阵列的形式围绕中心轴线定向，如图2和4中所示的那样。然而，缓冲器不限于柱状构造，且事实上，可根据需要采用大体上任何形状和量。本发明的备选实施例在图10-15中详细示出。在本发明的此备选实施例中，一个或更多个谐振器盒200固连在拱顶板和开口202的上方。开口202的大小(直径和颈部长度)由带螺纹的插入件203控制，如图14和15中所示的那样。颈部长度和直径可由单个带螺纹插入件控制。缓冲器盒200提供比图1-9中绘出的更小的柱状缓冲器大的容积。对于图1-9的类似燃烧系统，替代二十四个柱状缓冲器，替代地使用六个谐振器盒。然而，预想可修改柱状缓冲器和谐振器盒的数目以包括更少的或额外的缓冲器或盒。类似于柱状缓冲器本体120，谐振器盒200还包括吹扫孔204，以用于将压缩空气供应到谐振器盒200中。如上文论述的那样，吹扫孔204的放置还可围绕谐振器200和/或盖板206变化。不像具有之前构造的柱状缓冲器本体，谐振器盒200的盖板206优选提供诸如螺栓208的器件紧固至谐振器盒200。

类似于柱状缓冲器本体，也可改变谐振器盒200的谐振频率的三个因素是颈部的面积(因此直径d)、颈部的长度(长度l)和谐振器盒的容积。然而，一旦硬件已经制造，如果在操作期间确定应当缓冲不同的频率，则并非所有这些变量都可改变。在制造之后可相对容易修改的一个变量是谐振器盒的容积。盖板206可移除且替换成不同大小的盖板，由于其厚度而增大或减小谐振器盒200中的容积。

在本发明的备选实施例中，上文论述的缓冲机制的各种组合可一起使用。例如，可能使用定位在谐振器盒200内的拱顶缓冲器118。备选地，可能使用在拱顶中带有简单开口的谐振器盒200(即，没有分开的缓冲器本体)。

上文论述的缓冲器本体大体上与中心轴线a-a同轴地绘出。然而，拱顶缓冲器118和/或谐振器盒200还可相对于中心轴线a-a以一定角度定向。在此种缓冲器本体成角度的地方，对应的开口116和202也如此。成角度的开口允许缓冲器空气流与燃烧火焰相互作用，同时提供与固定火焰的间接相互作用。

在本发明的又一实施例中，可能通过构造成对抗多于一个临界频率的缓冲器来将燃烧系统中的多个临界频率作为目标。例如，燃烧器可具有第一组缓冲器(其具有专注于将第一频率作为目标的第一开口直径、面积、容积和颈部长度)和第二组缓冲器(具有专注于将与第一组缓冲器不同的频率作为目标的第二开口直径、面积、容积和颈部长度)。第一组缓冲器和第二组缓冲器的量可根据需要而变化。

在上文论述的实施例中，缓冲器的基本几何形状是带有一个颈部长度的单个容积，且公开了有效面积。然而，预想可在本发明中采用缓冲器本体的更加复杂的几何形状。例如，在另一个实施例中，借助于具有轴向串联地配置的多个容积的缓冲器本体，可将多个频率作为目标，其中一系列容积和颈部形成多容积缓冲器。

如上文论述的那样，在没有在图1中公开的预混合燃烧器上就位的缓冲器机构的情况下，预混合燃烧器的操作受制。例如，对于类似于图1的燃烧系统，燃烧硬件可容忍0.5psi的正常燃烧动态。通过实现本文公开的缓冲器系统，可容忍更大的压力波动(增大的燃烧动态)，包括近似1psi以上的压力波动。缓冲器系统有助于通过降低临界振动水平的冲击而降低燃烧动态的影响。

本发明的又一实施例在图16-25中公开。如上文论述的那样，多个缓冲器本体120和谐振器盒200安装至拱顶板114。然而，拱顶板114具有弯曲的表面，其在安装此硬件时可引起困难。此外，此种燃烧器构造制造起来还可由于复杂的几何结构而相当昂贵。

可包括在本发明的实施例中的额外特征是转接板300，转接板300定位在谐振器盒200或拱顶缓冲器118与拱顶板114之间。转接板300具有同样的大体构造和功能(无论其是结合谐振器盒还是缓冲器本体使用)，以提供将缓冲器安装和固连至燃烧器拱顶板114的改进方式。

参照图16-19，关于本发明的以多个单独拱顶缓冲器118为特征的实施例示出了转接板300。缓冲器板300包括前面302，以及与前面302间隔一定距离且与前面302平行的后面304。转接板300通过多个紧固件固连至拱顶板114，或着可通过焊接或硬焊永久地固定至拱顶板114。

转接板300还包括第一多个板开口306。这些开口306对应于拱顶板114中的开口116，使得缓冲器容积124与拱顶板114内侧的燃烧器容积连通。多个拱顶缓冲器118从转接板300的前面302延伸。拱顶缓冲器118可与转接板300为整体，或分开地附接(诸如通过硬焊或焊接)至转接板300。拱顶缓冲器118可如图16和图17中所示的那样垂直于转接板300安装，或者，拱顶缓冲器118可如图18和图19中所示的那样相对于拱顶缓冲器118成一定角度安装。

在本发明的另一个版本中，转接板300可采用如图24和图25中所示的那样的略微不同的构造。更特别地，转接板300具有前面312和相反的后面314。后面314包括在大小和形状方面设定成与拱顶板114的弯曲轮廓匹配的定形部分308。

转接板300的备选版本可见与备选拱顶缓冲器构造(谐振器盒200)一起使用，如图20-23中所示的那样。参照图20-23，公开了一种包括类似于图10-15的谐振器盒200的燃烧器拱顶组件。然而，对于图20-23中所示的实施例，谐振器盒200通过之前论述且在图24和图25中所示的转接板300安装至拱顶板114。更特别地，图24和25中所示的转接板300包括第一多个板开口310，缓冲器本体/体积通过第一多个板开口310与燃烧器连通。转接板300还包括第二多个板开口315。转接板300还包括围绕转接板300以环形阵列的形式间隔的第三多个开口318。第三多个开口318各自包括固连至转接板300的紧固件320，其中紧固件320用于将该一个或更多个谐振器盒200固连至转接板300，如图22中所示的那样。

拱顶缓冲器324可大体上垂直于转接板300延伸。备选地，且如图22和23中所示的那样，拱顶缓冲器324还可相对于转接板300成一定角度定向。无论是使用谐振器盒200还是拱顶缓冲器118，转接板300都提供将缓冲器构造固连和定位至拱顶板114的改进的方式。

参照图26，本发明的备选实施例公开了一种调节燃气涡轮燃烧器中的燃烧动态的方法2600。在步骤2602中，燃烧系统提供成具有燃烧器拱顶组件，该燃烧器拱顶组件包括拱顶板，该拱顶板在拱顶板中带有多个开口，其中开口中的各个具有直径和颈部长度。燃烧系统还包括包围拱顶板中相应开口的多个拱顶缓冲器。在步骤2604中，确定待控制的一个或更多个期望燃烧频率。如上文论述的那样，待控制的频率可为高频率(诸如尖叫)或更低频率。在步骤2606中，确定将在步骤2604中识别的一个或更多个频率作为目标所需的拱顶缓冲器的期望容积。然后，在步骤2608中，确定流到拱顶缓冲器中的吹扫空气的期望量。在步骤2610中，将盖板固连至拱顶缓冲器的至少一个端部，其中盖板布置在形成在于步骤2606中确定的缓冲器的期望容积的位置。然后，在步骤2612中，进行关于在步骤2606中确定的各缓冲器的期望容积是否足以改变燃烧器频率的确定。此种确定通常作为操作燃烧系统的结果而作出。如果作出的确定缓冲器容积不足，则在步骤2614中，确定待改变的影响缓冲器谐振频率的一个或更多个变量(诸如，颈部长度、开口直径或缓冲器容积)，且过程转到步骤2606以确定期望的缓冲器容积。如果在步骤2612处作出的确定是期望的缓冲器容积足以对期望的燃烧频率进行缓冲，则过程在步骤2616处结束。

虽然本发明已经在目前已知为优选实施例的那些中描述，但应理解的是，本发明不限于公开的实施例，而是相反，其意在覆盖以下权利要求的范围内的各种修改和等同布置。本发明已经关于特定实施描述，其在所有方面意在为说明性的而非限制性的。

根据前面将看出，此发明是很好地适于获得上面阐述的所有目的和目标，以及本系统和方法显而易见且固有的优点的发明。将理解的是，某些特征和子组合是有用的，且可在不参照其他特征和子组合的情况下使用。这由权利要求的范围构思且在其内。