环形赫尔姆霍茨阻尼器 |
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| 申请号 | CN201380015345.8 | 申请日 | 2013-03-19 | 公开(公告)号 | CN104204675A | 公开(公告)日 | 2014-12-10 |
| 申请人 | 阿尔斯通技术有限公司; | 发明人 | F.M.根恩; N.阿鲁里; M.R.博蒂恩; | ||||
| 摘要 | 阻尼器布置(100)包括两个同心中空形状(10和20)，它们均具有壁(11和12)，其中，壁(11和12)在它们之间形成环形容积(22)。阻尼器布置(100)进一步包括用于在对应的一个或更多个 接触 点处连接于 燃烧室 (5)的一个或更多个颈部(30)。一个或更多个颈部(30)连接于环形容积(22)。 | ||||||
| 权利要求 | 1. 一种阻尼器布置(100)，所述阻尼器布置(100)包括： |
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| 说明书全文 | 环形赫尔姆霍茨阻尼器技术领域背景技术[0003] 在运行期间，可产生压力振荡，该压力振荡可引起对燃烧室的机械损害，并且限制运行状况。然而，这些压力振荡的频率可由于燃气涡轮的不同而略微改变，并且另外，对于相同的燃气涡轮，在燃气涡轮运行(例如部分负载、基本负载、过渡负载等)期间，该压力振荡的频率可略微改变。 [0004] 通常，燃气涡轮必须在贫乏模式中运行，用于遵守污染排放。在该运行模式期间的喷燃器火焰对流扰动极其敏感，并且可与燃烧室的动力容易地耦合，以导致热声学不稳定性。出于该原因，通常对燃烧室提供衰减装置，诸如四分之一波长管、赫尔姆霍茨阻尼器或声学屏障，以使这些压力振荡衰减。 [0005] 参照图1，传统的赫尔姆霍茨阻尼器1包括衰减容积2(即，共振器容积)和颈部3(入口部分)，衰减容积2和颈部3连接于燃烧室5的前面板壁4(由直线图案显示)，喷燃器6连接在燃烧室5中。由于燃烧而产生的压力振荡需要衰减。 [0006] 赫尔姆霍茨阻尼器的共振频率(即，衰减的频率)取决于共振器容积2和颈部3的几何形状特征，并且必须对应于燃烧室5中产生的压力振荡的频率。 [0007] 特别地，容积和颈部几何形状确定赫尔姆霍茨阻尼器的本征频率。赫尔姆霍茨阻尼器的最大衰减特性在本征频率下实现，并且其典型地处于非常窄的频带。 [0008] 通常，因为赫尔姆霍茨阻尼器用于处理低频率范围压力脉冲(50-500 Hz)，所以赫尔姆霍茨阻尼器的容积大小增大。在一些情况下，赫尔姆霍茨阻尼器的容积甚至可比得上喷燃器大小。这在前面板壁4周围留下用于这些阻尼器的安装的非常小的空间。此外，为了使足够大的带宽中的压力振荡衰减，多个赫尔姆霍茨阻尼器需要连接于燃烧室。 [0009] 由于在前面板壁4上存在有限的空间，故存在安装传统的赫尔姆霍茨阻尼器1的有限选择。这在图2中显示，其中在前面板壁4上，必须移除一个喷燃器6，以便定位赫尔姆霍茨阻尼器1。这最终在燃烧室5可容纳的喷燃器6的数量和传统的赫尔姆霍茨阻尼器1的数量之间折衷。 [0010] 因此，上面提到的解决方案遭受用于阻尼器安装的喷燃器前面板壁周围的空间约束。此外，这些解决方案不允许阻尼器在燃烧室中具有宽带衰减频率。 发明内容[0011] 因此本发明的技术目标包括提供一种解决上面提到的现有技术的问题的阻尼器布置。 [0012] 在该技术目标的范围内，本发明的一方面提供一种阻尼器布置及其设计方法，该方法容许将阻尼器定位在燃烧室的喷燃器周围。 [0013] 本发明的又一方面提供一种能够应付压力振荡的频率偏移，而不需要精调或对精调的需要有限的阻尼器布置。 [0014] 本发明的另一方面提供一种阻尼器布置，其能够通过连接于多于一个位置处的燃烧室而同时使宽带范围中的多个脉冲频率衰减。 [0015] 本发明的另一方面提供一种阻尼器布置，特别是在与上面描述的传统阻尼器布置相比时，该阻尼器布置是非常简单的。 [0016] 本发明的再一方面提供一种阻尼器布置，其包括两个同心的中空形状，它们均具有壁，其中，两个壁在它们之间形成环形容积，并且阻尼器布置包括用于在对应的一个或更多个接触点处连接于燃烧室的一个或更多个颈部。一个或更多个颈部连接于环形容积。 [0017] 在本发明的另一方面，一个或更多个接触点对应于一个或更多个脉冲频率。 [0018] 在本发明的再一方面，环形容积和一个或更多个颈部的组合调谐成使一个或更多个脉冲频率衰减。 [0020] 从在附图中经由非限制性示例示出的阻尼器布置的优选但非穷尽性的实施例的描述，本发明的另外的特性和优点将为更加显而易见的，其中：图1是根据现有技术的连接于燃烧室的传统的赫尔姆霍茨阻尼器的示意图； 图2显示喷燃器前面板的俯视图，该喷燃器前面板具有根据现有技术的传统的赫尔姆霍茨阻尼器； 图3显示根据本发明的实施例的环形赫尔姆霍茨阻尼器的示意图； 图4A和4B显示根据本发明的实施例的定位在喷燃器前面板中的喷燃器周围的环形赫尔姆霍茨阻尼器的俯视图； 图5是根据本发明的实施例的设计环形赫尔姆霍茨阻尼器的方法的流程图； 图6A和6B显示根据本发明的实施例的定位在管状燃烧室中的喷燃器周围的环形赫尔姆霍茨阻尼器的侧视图和俯视图； 图7显示根据本发明的实施例的具有多个容积的环形赫尔姆霍茨阻尼器的布置； 图8显示根据本发明的实施例的在图7中描述的布置的俯视图； 图9显示根据本发明的实施例的环形赫尔姆霍茨阻尼器的布置，其具有通过各种颈部而互连的多个容积； 图10显示根据本发明的实施例的在图9中描述的布置的俯视图； 图11显示根据本发明的实施例的使用填料材料来调节容积之间的声学耦合的环形赫尔姆霍茨阻尼器； 图12显示根据本发明的实施例的在图11中描述的布置的俯视图； 图13显示根据本发明的各种实施例的具有多个串联地互连的容积的环形赫尔姆霍茨阻尼器的布置；以及 图14显示根据本发明的实施例的在图13中描述的布置的俯视图。 [0021] 部件列表1现有技术的赫尔姆霍茨阻尼器 2现有技术的阻尼器1的共振器容积(衰减容积)。 [0022] 3现有技术的阻尼器1的颈部4前面板壁(即，喷燃器前面板) 6喷燃器 5燃烧室 100本发明的阻尼器/阻尼器布置 10中空形状(第一形状) 20中空形状(第二形状) 11中空形状10的壁 12中空形状20的壁 22环形容积 30颈部 Fn阻尼器100和现有技术的阻尼器的共振频率 An现有技术的阻尼器的颈部的面积 V现有技术的阻尼器的共振器的容积 Ln现有技术的阻尼器的颈部的长度 Ln'本发明的阻尼器100的颈部的长度 Rn现有技术的阻尼器的颈部的半径 Rn'本发明的阻尼器100的颈部的半径 Lv现有技术的阻尼器的容积的长度 Lv'本发明的阻尼器100的容积的长度 Rv现有技术的阻尼器的颈部的半径 Rv'本发明的阻尼器100的颈部的半径 Drv容积10和20的半径之间的差 200管状燃烧室 202管状燃烧室200中的喷燃器 70、72和74板 90、92、94、95、96、97、98：板70、72和74内的颈部 1301板 1302关于板1301的颈部。 具体实施方式[0023] 现在参照附图描述本公开的优选实施例，其中，同样的附图标记用于遍及附图表示同样的元件。在以下描述中，为了说明，阐述了许多具体细节，以便提供对本公开的彻底理解。然而，可明显的是，可在没有这些具体细节的情况下实践本公开。 [0024] 参照图3，提供阻尼器布置100，即，阻尼器100，其能够解决喷燃器前面板4(即，前面板壁4)周围的空间约束的问题，而且还使燃烧室5中出现的多个脉冲频率衰减。阻尼器100在下文中被可交换地称为环形赫尔姆霍茨阻尼器100。示例性实施例中的燃烧室5是燃气涡轮的燃烧室。 [0025] 根据本发明的实施例，阻尼器100包括两个同心的中空形状10和20，各个中空形状分别具有壁11和12。壁11和12两者在它们之间形成环形容积22。换句话说，壁11的内部面和壁12的外部面形成环形容积22。阻尼器100进一步包括一个或更多个颈部30，一个或更多个颈部30将阻尼器100连接于燃烧室5。一个或更多个颈部30在一端处连接于环形容积22，并且在另一端处连接于燃烧室5上的对应的一个或更多个接触点。 [0026] 在本发明的优选实施例中，两个同心的中空形状10和20是中空圆筒形容积，各个中空圆筒形容积分别具有壁11和12。这些壁11和12两者因而在它们之间形成环形容积22。在下文中，用语中空形状将被可交换地称为中空容积。对本领域技术人员而言将显而易见的是，在整个描述中仅为了说明性目的而采用圆筒形形状，但是其不使本发明的范围限制于该形状，而是可扩展到同心且规定在两个形状的壁之间产生一些环形容积的所有其它形状。 [0027] 众所周知的是，当接近燃烧室5中的驻波型式的脉冲最大值时，阻尼器100将具有最佳衰减效果。传统的赫尔姆霍茨阻尼器(现有技术的阻尼器)的共振频率由以下提供：其中，Fn是阻尼器的共振频率，An是颈部的面积，V是阻尼器中的共振器的容积，Ln是颈部的长度。C是阻尼器内部的流体的平均声速。典型地，在基本负载条件下，C为大约 500-550 m/s。 [0028] 共振频率Fn可调谐成使燃烧室5中出现的一个或更多个脉冲频率衰减。当使用多个阻尼器，或者使用具有多个容积和颈部的阻尼器时，可处理多个频率。典型地，Fn的范围为50 Hz至500 Hz之间。假设在正常运行期间，如果必须将传统阻尼器精调到150 Hz的共振频率Fn，则对于500 m/s的常量C，可像下面这样计算颈部的面积An和共振器的容积V：Rn=0.015m(颈部的半径) Ln=0.1m(颈部的长度) Lv=0.25m(容积的长度) Rv=0.05m(容积的半径) 现在，为了使环形赫尔姆霍茨阻尼器100重现150 Hz的相同的共振频率Fn，则假设： Lv'=Lv(即，环形阻尼器100共振器的长度等于传统的阻尼器的共振器的长度)Rv'=0.1 m(阻尼器100的共振器的半径，如图3中所示) 可像下面这样计算Drv(同心容积10和20的半径之间的差)： 因此，Drv=0.014 m 而且，如果假设阻尼器100具有9个颈部30，而非像在传统阻尼器中具有一个，则可像下面这样计算Rn'(阻尼器100颈部30的半径)： 因此，Rn'=Rn/3=0.005m(颈部30的半径) 这表示最外部的容积10的半径为Rv'+Drv/2=0.107 m 换句话说，在阻尼器100的该环形设计中，两个容积10和20之间的距离差(即，Drv为 0.014 m)大于各个颈部30的半径(Rn'=0.005m)，使得足以将这些颈部容纳在环形容积22内。 [0029] 图4A和4B显示根据本发明的实施例的定位在喷燃器前面板4中的喷燃器6周围的环形赫尔姆霍茨阻尼器的俯视图。在图4A中，从俯视图，喷燃器6横截面显示为圆形的，并且具有其两个容积10和20的阻尼器100表示为围绕喷燃器6横截面的两个同心圆。而且，各个颈部30的横截面由环形容积22中的圆表示。 [0030] 参照图4B，与图2(现有技术)相比，阻尼器100围绕喷燃器6的此类布置可针对前面板壁4中的所有喷燃器复制。因此，阻尼器100安装解决了喷燃器前面板壁4周围的空间约束的问题。 [0031] 对本领域技术人员而言将显而易见的是，该设计仅是示例性的，并且阻尼器可按各种其它颈部和容积组合布置。阻尼器100的设计可容易地扩展到可变数量的互连的中空形状10和20和通往燃烧室5的颈部30，这取决于需要衰减的优势频率的数量。根据本发明的另一个实施例，阻尼器100可用于使在一个或更多个颈部30与燃烧室5接触的位置处具有最大值的仅一个优势频率衰减。根据本发明的各种实施例，一个或更多个接触点位于连接于燃烧室5的喷燃器6的周向外周上。此外，阻尼器100在此处可触碰燃烧室5的接触点可按三维分布。仅为了简化说明，以二维显示所有实施例，但是，这不限制本发明的范围。 [0032] 根据本发明的实施例，图5描述设计用于燃烧室5的阻尼器100的方法的流程图。在第一步骤50处，提供两个同心的中空形状10和20，它们均具有壁11和12，其中，壁11和12在它们之间形成环形容积22。在此之后，在第二步骤52处，提供一个或更多个颈部 30，其连接于环形容积22。在最后的步骤54处，一个或更多个颈部在对应的一个或更多个接触点处连接于燃烧室5。根据本发明的实施例，一个或更多个接触点位于喷燃器6的周向外周周围。以该方式，阻尼器100位于喷燃器6周围，从而解决喷燃器前面板4周围的空间约束的问题。 [0033] 根据本发明的另一个实施例，图6A和6B显示定位在管状燃烧室200中的喷燃器周围的环形赫尔姆霍茨阻尼器的侧视图和俯视图。代替常规的燃烧室(即，燃烧室5)，管状燃烧室200具有每个燃烧器室多个喷燃器202。在该实施例中，管状燃烧室200具有每个燃烧器三个喷燃器202。此类管状燃烧室200也可适用于安装环形赫尔姆霍茨阻尼器100。 [0034] 图6B显示管状燃烧室200的横截面的俯视图。具有两个中空的同心容积10和20的阻尼器100放置成使得其将所有的三个喷燃器202包围在一起。实际上，容积10和20与管状燃烧室200的周向外周同心。另外，一个或更多个颈部30将阻尼器100连接于管状燃烧室200。通过此类布置，即使在管状燃烧室中，通过提供每个阻尼器多个喷燃器，阻尼器100也能够提供必要的衰减作用。 [0035] 在目前描述的所有实施例中，阻尼器100表示形成在两个同心中空形状10和20之间的一个环形容积22。但是，根据本发明的各种其它实施例，为了修改/精调阻尼器100的衰减特性和衰减频率，可行的是(在本发明的范围内)具有相对于颈部30以串联和/或并联组合布置的多个环形容积，以实现期望结果。根据本发明的将出现的各种实施例，说明在中空形状10和20和颈部30之间布置此类互连的各种可能性。 [0036] 图7显示根据本发明的实施例的具有多个容积的环形赫尔姆霍茨阻尼器的布置。阻尼器可具有一个或更多个板，其沿纵向方向在两个同心的中空形状10和20之间延伸。 在该实施例中，阻尼器100具有沿纵向(沿着长度)在环形容积22内延伸的三个板70、72和74。各个板在板的第一侧处限定第一环形容积，并且在板的第二侧处限定第二环形容积。 因而，环形容积22分成彼此并联地连接的三个环形容积。根据本发明的各种实施例，这些板能够沿着阻尼器100的周边移动，以改变三个环形容积。这对将阻尼器100精调至燃烧室5中的一个或更多个脉冲频率提供更多可能性。 [0037] 图8显示根据本发明的实施例的在图7中描述的布置的俯视图。喷燃器6横截面显示为圆形形状，并且具有限定在两个容积10和20之间的环形容积22的阻尼器100表示为围绕喷燃器6横截面的两个同心圆。各个颈部30的横截面由环形容积22中的圆表示。另外，板72、74和76产生并联的三个容积。 [0038] 对本领域技术人员而言将显而易见的是，使用三个板将环形容积22分成三个容积仅是示例性的，并且可限制于多个容积，这取决于阻尼器的调谐要求，而不限定本发明的范围。在本发明的各种实施例中，可进一步精调多个容积，以有效地改变阻尼器100的衰减特性。 [0039] 图9显示根据本发明的实施例的具有通过各种颈部30互连的多个容积的环形赫尔姆霍茨阻尼器100的布置。从图7中显示的示例性阻尼器100延续，图9中的阻尼器100也具有将环形容积22分成三个容积的板70、72和74。板70具有三个颈部90、92和94，其使板70的任一侧上的第一容积和第二容积互连。类似地，板74具有三个颈部96、97和98，其使板74的任一侧上的第一容积和第二容积互连。在本发明的一个实施例中，颈部是中空管状圆筒，中空管状圆筒沿着板的长度定位，并且在板的任一侧上的第一容积和第二容积之间产生开口。仅在该示例性实施例中采用关于板70和74的三个颈部；但是，可在一个或更多个板中使用不同数量的颈部，这取决于衰减要求。 [0040] 对本领域技术人员而言将显而易见的是，可通过改变通过改变容积和颈部本身的结构/横截面而实现的颈部和容积的几何形状来改变阻尼器100的共振频率。尽管在上面提到的所有实施例中，容积和颈部的横截面形状显示为圆形，但容积和颈部不限于仅仅该形状。根据本发明的各种实施例，容积和颈部可具有多边形、立方形、立方体、球形或任何不规则的形状。这些形状中的任一个(未显示)可用于限定阻尼器布置100，这取决于燃烧室5的衰减要求。 [0041] 图10显示根据本发明的实施例的在图9中描述的阻尼器100的俯视图。喷燃器6横截面显示为圆形形状，并且具有限定在两个容积10和20之间的环形容积22的阻尼器 100表示为围绕喷燃器6横截面的两个同心圆。各个颈部30的横截面由环形容积22中的圆表示。板72、74和76将环形容积22分成并联地互连的三个容积。板70和74中的各个具有三个颈部。分别针对板70和74显示最下面的颈部94和98(即，最接近颈部30的颈部)的横截面。 [0042] 对本领域技术人员而言将显而易见的是，划分出的环形容积还可填充有各种填料材料，以进一步精调阻尼器100的衰减特性。图11显示根据本发明的实施例的使用填料材料来调节容积之间的声学耦合的环形赫尔姆霍茨阻尼器100。形成于板70和74之间的环形容积22填充有填料材料(由阴影图案表示)。可使用填料材料，诸如但不限于多孔材料、吸收性材料、吸附性材料、多孔板筛和金属泡沫。包括此类填料材料帮助修改阻尼器100的衰减特性。根据本发明的另一个实施例，也可在一个或更多个颈部30中使用类似种类的填料材料，以进一步精调阻尼器100。 [0043] 在本发明的各种其它实施例中，甚至可在互连容积的颈部(即，颈部90至98(参照图9))中使用此类填料材料。在本发明的范围内，颈部和容积的任何组合可具有此类填料材料，以允许阻尼器100的精调。 [0044] 对本领域技术人员而言将显而易见的是，在容积或颈部中的任一个中使用填料材料的所有这些变化只是示例性的。这些容积或颈部中的任一个可使用此类材料来改变容积和颈部的声学属性，并且因而调节整个阻尼器布置100的衰减特性。 [0045] 图12显示根据本发明的实施例的如图11中描述的阻尼器100布置的俯视图。喷燃器6横截面显示为圆形形状，并且具有限定在两个容积10和20之间的环形容积22的阻尼器100表示为围绕喷燃器6横截面的两个同心圆。各个颈部30的横截面由环形容积22中的圆表示。将环形容积22分成并联地互连的三个容积的板72、74和76由三条线显示。板70和74之间的填料材料由阴影图案显示。 [0046] 扩展使环形容积并联地互连的构思，环形容积还可串联连接，这在本发明的范围内。 [0047] 图13显示根据本发明的各种实施例的具有串联地互连的多个环形容积的环形赫尔姆霍茨阻尼器100的布置。与图7中描述的实施例相比，其中，板沿纵向方向插入，以将环形容积22分成多个容积；在图13中，一个或更多个板沿周向插入在环形容积22内，使得其将环形容积22分成两个或更多个串联连接的环形容积。如图13中所示，板1301沿周向插入在容积10和容积20之间。另外，板1301具有一个或更多个颈部1302，其使两个容积互连：在板1301的任一侧上产生的第一容积和第二容积。因而，该实施例中的阻尼器100的整个布置具有串联地互连的两个环形容积。 [0048] 对本领域技术人员而言将显而易见的是，在该布置中，除了板1301的位置之外，可改变颈部1302的位置和大小，以便改变阻尼器100的衰减特性。此外，可添加多于一个此类板1301，以产生多于两个串联的环形容积。而且，颈部和容积的组合可具有填料材料，以进一步精调阻尼器特性。 [0049] 图14显示根据本发明的实施例的在图13中描述的布置的俯视图。喷燃器6横截面表示为圆形形状，并且具有限定在两个容积10和20之间的环形容积22的阻尼器100表示为围绕喷燃器6横截面的两个同心圆。板1301的横截面与中空形状10和20的横截面同心。各个颈部30的横截面由环形容积22中的圆表示。颈部1302的横截面由环形容积22中的虚圆表示。 [0050] 本领域技术人员将认识到，本发明通过其各种实施例仅提供一些示例性设计，以示出互连的容积和颈部的构思。这些实施例在任何意义上都不意于将本发明的范围限制于仅这些布置。 [0051] 当然，可彼此独立地提供在提及的文本中描述的所有特征。实际上，可根据本领域的要求和现状，随意选择使用的材料和尺寸。 [0052] 虽然已经参照燃气涡轮描述了示例性实施例，但可在其中存在使压力振荡衰减的潜在要求的其它应用中使用本发明的实施例。 [0053] 另外，虽然已经在本文中在认为是最实际的示例性实施例中显示和描述了本公开，但本领域技术人员将认识，可在本公开的范围内作出变更，本公开的范围不限于本文中描述的细节，而是与所附权利要求的全部范围一致，以便包含任何和所有等同的装置和设备。 |
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