本申请案是2016年2月16日递交的标题为“用于入口放气加热系统的声学喷嘴(ACOUSTIC NOZZLES FOR INLET BLEED HEAT SYSTEMS)”的共同拥有的申请号为15/044,149的美国专利申请的部分继续申请案。第15/044,149号美国专利申请以引用方式全文并入本实用新型中。
技术领域
本实用新型大体涉及燃气涡轮发动机，更确切地说，涉及入口放气加热系统(inlet bleed heat system)的改进的声学喷嘴(acoustic nozzle)设计。
背景技术：
燃气涡轮发动机的工作效率和总输出功率大体上随热的燃烧气流的温度的升高而增大。然而，高温的燃烧气流可能产生较高含量的氮氧化物和其他排放物。此类排放物需要遵守美国联邦和州级法规，并且还可能需要遵守类似的国外法规。因此，存在以下益处之间的权衡：在有效高温范围内操作燃气涡轮发动机，同时又确保氮氧化物和其他类型的管制排放物的输出保持在远低于规定水平。此外，不同的负载水平、不同的环境条件以及其他类型的操作参数也可能对燃气涡轮机的整体输出、效率和排放物具有显著影响。
若干已知类型的燃气涡轮发动机设计，例如使用干式低NOx(Dry Low NOx，“DLN”)燃烧器的燃气涡轮发动机设计，通常在反应或燃烧区的上游将燃料流与气流预混，从而通过多个预混燃料喷嘴来减少NOx排放。这样的预混操作倾向于降低峰值火焰温度，并且因此而减少NOx排放。
燃气涡轮发动机压缩机通常包括空气入口系统(air inlet systems)，所述空气入口系统具有加热装置，用于升高进入气流的温度。由于低温环境条件和/或由于其他类型操作参数，可能导致压缩机入口导叶结冰、浪涌(surge)/喘振边界(stall margin)、燃烧贫燃熄火等。因此，可将一定量的压缩机排气排出并将所述排气循环回到压缩机入口以将较冷的环境空气与热的压缩机排气的放气部分混合，从而适应压缩机的压力比(pressure ratio)。这样的混合可减小流到燃气涡轮机的空气密度和质量流量。入口放气加热还可通过在干式低NOx)燃烧系统上的负载增加时尽可能将燃料/空气比保持恒定来扩大以高效预混模式操作的干式低NOx燃烧系统的操作范围。
技术实现要素：
因此，本实用新型提供一种用于使用压缩机排气流的入口放气加热系统的声学喷嘴。所述声学喷嘴可包括具有上游端和下游端的外壳(an outer casing)、位于所述外壳内的声衰减介质(an acoustic attenuation medium)、围绕所述外壳的所述上游端定位在所述外壳中的多个出口孔(a number of exit apertures)、与所述外壳连通的空气管(an air pipe)以及围绕所述外壳的所述下游端定位在所述外壳内并与所述空气管连通的空气室(an air chamber)。所述空气室可包括用于流过其中的所述压缩机排气流的减小的流动区域(a reduced flow area)。
进一步地，所述减小的流动区域包括多个空气室孔口。
更进一步地，所述多个空气室孔口围绕所述空气室的上游端定位。
更进一步地，所述多个空气室孔口包括围绕所述空气管的周向阵列。
更进一步地，所述多个空气室孔口包括围绕所述空气管的交错阵列。
更进一步地，所述多个空气室孔口围绕所述空气室的侧部定位。
进一步地，所述空气室使所述压缩机排气流旋转约180度。
进一步地，所述声衰减介质包括丝网(a wire mesh)或矿棉(a mineral wool)。
进一步地，所述多个出口孔的尺寸大于所述减小的流动区域的尺寸。
本实用新型可进一步提供一种用于将入口放气加热系统中的压缩机排气排出的方法。所述方法可包括以下步骤：使所述压缩机排气流动到所述入口放气加热系统中的声学喷嘴，使所述压缩机排气在所述声学喷嘴的内部空气室内旋转约180度(180°)，使所述压缩机排气流过所述内部空气室中的减小的流动区域，使所述压缩机排气流过所述声学喷嘴中的声衰减介质以及使所述压缩机排气流过所述声学喷嘴中的多个出口孔。
本实用新型可进一步提供一种用于使用压缩机排气流的入口放气加热系统的声学喷嘴。所述声学喷嘴可包括从上游端延伸到下游端的外壳、在所述外壳内的声衰减介质、定位在所述外壳上的多个出口孔、定位在所述外壳内且在所述外壳下游端处的空气室以及定位在所述空气室内的多个空气室孔口，用于降低穿过其中的所述压缩机排气流的能量。
进一步地，所述的声学喷嘴进一步包括与所述空气室连通的空气管。
进一步地，所述多个出口孔围绕所述外壳的所述上游端定位。
进一步地，所述多个空气室孔口围绕所述空气室的上游端定位。
更进一步地，所述多个空气室孔口包括围绕所述空气管的周向阵列。
更进一步地，所述多个空气室孔口包括围绕所述空气管的交错阵列。
更进一步地，所述多个空气室孔口围绕所述空气室的侧部定位。
更进一步地，所述空气室使所述压缩机排气流旋转约180度。
更进一步地，所述声衰减介质包括丝网或矿棉。
更进一步地，所述多个出口孔的尺寸大于所述多个空气室孔口的尺寸。
在结合若干附图和所附权利要求书来阅读以下具体实施方式之后，所属领域的一般技术人员将显而易见地了解本实用新型和相应专利的这些和其他特征和改进。
附图说明
图1是具有入口放气加热系统的燃气涡轮发动机的示意图。
图2是本说明书中所述的用于图1中的入口放气加热系统的声学喷嘴的示意图。
图3是可用在本说明书中的声学喷嘴的替代实施例的示意图。
图4是可用在本说明书中的声学喷嘴的替代实施例的示意图。
图5是可用在本说明书中的声学喷嘴的替代实施例的示意图。
图6是图5中的声学喷嘴的截面侧视图。
图7是可与图5中的声学喷嘴一起使用的空气室的平面图。
具体实施方式
现参阅附图，在附图中，相同数字是指若干附图中的相同元件。图1示出可用在本说明书中的燃气涡轮发动机10的示意图。燃气涡轮发动机10可包括压缩机15。压缩机15压缩进入的空气流20。压缩机15将压缩空气流20输送到燃烧室25。燃烧室25将压缩空气流20与加压燃料流30混合并点燃所述混合物以产生燃烧气体流35。尽管仅示出单个燃烧室25，但是燃气涡轮发动机10可包括以周向阵列或其它方式布置的任何数量的燃烧室25。燃烧气体流35又输送到涡轮(turbine)40。燃烧气体流35驱动涡轮40，以便产生机械功。涡轮40中产生的机械功经由轴45驱动压缩机15以及诸如发电机等的外部负载50。
燃气涡轮发动机10可使用天然气、液体燃料、各种类型的合成气和/或其他类型的燃料和它们的混合物。燃气涡轮发动机10可以是纽约斯克内克塔迪(Schenectady，New York)的通用电气公司(General Electric Company)所提供的多种不同燃气涡轮发动机中的任一种，包括但不限于，7系或9系重型燃气涡轮发动机等。燃气涡轮发动机10可具有不同构型，并且可使用其他类型的部件。本说明书中还可使用其他类型的燃气涡轮发动机。多个燃气涡轮发动机、其他类型的涡轮机以及其他类型的发电设备在本说明书中也可以一起使用。
燃气涡轮发动机10还可以包含入口放气加热系统(inlet bleed heat system)55。入口放气加热系统55可以定位在压缩机15的入口的上游。入口放气加热系统55可将加热的压缩机排气流60输送到压缩机15的入口。入口放气加热系统55可包括其上具有一个或多个控制阀70的压缩机排气管线65。入口放气加热系统55可通过多个声学喷嘴75排出压缩机排气60。声学喷嘴75可用于通过将所述压缩机排气与外部环境空气混合来降低压缩机排气60的速度(velocity)。
图2示出可如本说明书中所述的声学喷嘴100的示例。声学喷嘴100可包括外壳110。外壳110可具有任何合适的尺寸、形状或构型。外壳110可从第一端或上游端120延伸至第二端或下游端130。第一端或上游端120可具有延伸穿过外壳110的多个出口孔140。任何数量的出口孔140在本说明书中可以以任何尺寸、形状或构型使用。第二端或下游端130可以是封闭的。声学喷嘴100还可包括空气管150。空气管150可从与压缩机排气60连通的压缩机排气管线65延伸并且进入外壳110中。空气管150可具有减小的流动区域155，所述减小的流动区域155位于围绕外壳110的第二端130的端内或端处。在该示例中，所述减小的流动区域可采用位于空气管150中或所述空气管150与外壳110的第二端130之间的一个或多个狭槽和/或间隙160的形式。狭槽或间隙(slots)160可以具有任何合适的大小、形状或构型。狭槽或间隙160可小于出口孔140。空气管150与外壳110之间的环形区域170可用声衰减介质180进行填充。声衰减介质180可为丝网、矿棉或其他类型的多孔材料(porous material)。本说明书中可使用其他部件和其他构型。
在使用中，可基于整体声音条件计算空气管150与外壳110的第二端130中或两者之间的狭槽或间隙160的尺寸。一旦压缩机排气60离开空气管150的狭槽或间隙160，声衰减介质180用于分解(breakdown)其中的冲击波，以便使气流基本均匀。声学介质的存在可防止噪音向上游方向向回传播。随后，热压缩机排气60经由声衰减介质180流动到外壳110的第一端或上游端120，并经由较大的出口孔140排放到周围环境(ambient)。上游的出口孔140为热压缩机排气60提供与周围空气混合之前和之后的较长的行进通路。
图3示出可如本说明书中所述的声学喷嘴200的一个进一步实施例。声学喷嘴200可包括外壳210。外壳210可具有任何合适的尺寸、形状或构型。外壳210可从第一端或上游端220延伸到第二端或下游端230。在该示例中，第二端或下游端230可包括多个出口孔240。出口孔240可具有任何合适的尺寸、形状或构型。外壳210可用声衰减介质250进行填充。声衰减介质250可为丝网、矿棉或其他类型的多孔材料。外壳210的第一端或上游端220可包括与其连通的空气室260。空气室260可经由空气管265与压缩机排气管线65和压缩机排气60连通。空气室260可具有任何合适的尺寸、形状或构型。空气室260可包括声空气环270，所述声空气环270具有围绕外壳210定位的减小的流动区域280。在该示例中，减小的流动区域280可采用多个声空气环孔290的形式。任何数量的声空气环孔290可在本说明书中以任何尺寸、形状或构型使用。本说明书中可使用其他部件和其他构型。
在使用中，热的压缩机排气60流入空气室260中并穿过声空气环270的声空气环孔290。随后，压缩机排气60流过外壳210内的声衰减介质250，并且经由其下游端或第二端230处的出口孔240排放到周围环境。声衰减介质250使气流稳定，以便使其在整个声空气环孔290上基本周向均匀，从而围绕喷嘴200提供更均匀的气流。本说明书中可使用其他部件和其他构型。
图4示出可如木说明书中所述的声学喷嘴300的一个进一步实施例的一个示例。声学喷嘴300可包括外壳310。外壳310可具有任何合适的尺寸、形状或构型。外壳310可从第一端或上游端320延伸到第二端或下游端330。第二端或下游端330可具有定位在其中的多个出口孔340。本说明书中可以使用任何尺寸、形状或构型的任何数量的出口孔340。外壳310可用声衰减介质350进行填充。声衰减介质350可为丝网、矿棉或其他类型的多孔材料。声学喷嘴300可包括采用文丘里管(a venturi pipe)360形式的空气管355。文丘里管360可与具有压缩机排气60的压缩机排气管线65连通。文丘里管360可具有减小的流动区域370，所述减小的流动区域围绕外壳310的第一端或上游端320定位。在该示例中，减小的流动区域370可采用减小的流动喉部(a reduced flow throat)380的形式。减小的流动喉部380向进入外壳310的压缩排气流60提供文氏效应(venturi effect)。所述减小的流动喉部380可以具有合适大小、形状或配置。本说明书中可使用其他部件和其他构型。
在使用中，热的压缩机排气60流过具有减小的流动喉部380的文丘里管360。减小的流动喉部380产生节流条件(a choke flow condition)，在该条件下，流体速度接近局部声速(the local speed of sound)。在该节流下，质量流速不会随着下流压力的进一步降低而提高。然而，可压缩流体的质量流速可随着上流压力的提高而提高，从而增大穿过喉部380的流体密度(虽然速度将保持不变)。随后，压缩机排气流离开喉部380，穿过声衰减介质350并经由出口孔340排出。
因此，本说明书中所述的声学喷嘴100、200和300通过使用减小的流动区域，例如狭槽160、声空气环孔290和/或减小的流动喉部380来减小气流的能量和速度来扩大压缩机排气60对大气的压力。同样，使用声衰减介质可减小整体噪音。此外，声学喷嘴100、200和300可提供整体简化设计。声学喷嘴100、200和300可以是原始设备和/或改型的一部分。不同类型的声学喷嘴100、200和300可以一起使用。
图5-7示出可如本说明书中所述的声学喷嘴400的一个进一步实施例。声学喷嘴400可包括外壳410。外壳410可具有任何合适的尺寸、形状或构型。外壳410可从第一端或上游端420延伸至第二端或下游端430。在该示例中，第一端或上游端420可包含多个出口孔440。出口孔440可具有任何合适的尺寸、形状或构型。外壳410中可用声衰减介质450进行填充。声衰减介质450可为丝网、矿棉或其他类型的多孔材料。
外壳410的第二或下游端430可包括空气室460。空气室460可经由空气管470与压缩机排气管线65和压缩机排气60连通。虽然本实用新型中空气室460可使用任何合适的大小、形状或构型，但空气室460可以是大体圆形和圆柱形。空气室460可包括减小的流动区域480。在该示例中，减小的流动区域480可采用多个空气室孔口490的形式。空气室孔口490可围绕空气室460的上游端500定位(其下游端由外壳410封闭)。任何数量的空气室孔口490可在本说明书中以任何尺寸、形状或构型使用。空气室孔口490可以以同心和/或交错方式(in a concentric and/or a staggered manner)环绕空气管470，并且可面向第一端或上游端420。替代地，空气室孔口490可围绕面对外壳410的空气室460的侧部510定位。本说明书中可使用其他的位置。本说明书中可使用其他部件和其他构型。
在使用中，热的压缩机排气60流过空气管470并进入空气室460中。随后，压缩机排气60在空气室460中反向约180度。180度的反转可提供改进的噪音衰减。压缩机排气60经由空气室孔口490排出并经历声波扩张(sonic expansion)。随后，压缩机排气60流过外壳410内的声衰减介质450，并经由其第一端或上游端420处的出口孔440排放到周围环境。声衰减介质450使气流稳定，以便使其基本周向均匀，从而提供围绕喷嘴400的更均匀的气流。此外，使用围绕空气室460的侧部510的空气室孔口490可确保空气室孔口490与出口孔440之间不存在直接视线(direct line of sight)。这种定位可通过声波的额外反射产生弯曲效果。本说明书中可使用其他部件和其他构型。
因此，本说明书中所述的声学喷嘴400通过使用减小的流动区域，例如，空气室孔口490减小气流的能量和速度来扩大压缩机排气60对大气的压力。同样，使用声衰减介质450可减小整体噪音。此外，声学喷嘴400可提供整体简化设计。声学喷嘴400可以是原始设备和/或改型的一部分。不同类型的声学喷嘴100、200、300和400可以一起使用。
应显而易见地了解，上述说明仅涉及本实用新型和相应专利的某些实施例。所属领域中的普通技术人员可在不背离本实用新型的总体精神和范围的情况下在本说明书中做出多种变化和修改，其中本实用新型的总体精神和范围由所附权利要求书和其等效物限定。