用于控制燃烧系统中的燃烧动态的系统的制作方法
【技术领域】
[0001]公开的主题大体涉及燃气涡轮系统，并且更特别地涉及用于控制燃烧动态及更具体地用于减少燃烧动态的模态耦合的系统和方法。
【背景技术】
[0002]燃气涡轮系统大体包括燃气涡轮发动机，其具有压缩机区段、燃烧器区段、以及涡轮区段。燃烧器区段可包括一个或更多燃烧器(例如，燃烧罐)，其带有燃料喷嘴，该燃料喷嘴构造为向各个燃烧器内的燃烧室喷射入燃料和氧化剂(例如空气)。在各个燃烧器中，燃料和氧化剂的混合物燃烧来产生热燃烧气体，其然后流入并驱动涡轮区段中的一个或更多涡轮级。各个燃烧器可产生燃烧动态，该燃烧动态在燃烧器声学振荡与火焰动态(也公知为放热的振荡部件)交互作用时发生，来导致在燃烧器中的自激压力振荡。
[0003]燃烧动态可在多个离散的频率下或横跨一个频率范围发生，并且可向相对于相应燃烧器的上游和下游两者行进。例如，压力和/或声波可例如穿过一个或更多涡轮级向下游行进入涡轮区段，或向上游行进入燃料系统。涡轮区段的某些下游部件可潜在地响应于燃烧动态，尤其是如果通过单独的燃烧器产生的燃烧动态呈现出与彼此的同相和连贯关系，并且具有在部件的固有或共振频率处或附近的频率时。通常，“连贯性”指在两个动态信号之间的线性关系的强度，并且强烈地受在它们之间频率重叠度影响。在燃烧动态的内容中，“连贯性”是由燃烧系统呈现的模态耦合、或燃烧器与燃烧器声学性交互作用的测量。由此，存在控制燃烧动态、和/或燃烧动态的模态耦合的需要，来降低在涡轮系统中的部件的任何不想要的共鸣振动响应(例如，共振行为)的可能性。
【实用新型内容】
[0004]在下面总结了在范围上与原主张发明相适的某些实施例。这些实施例不意图限制本主张发明的范围，而是这些实施例仅仅意图提供本发明的可能形式的简要总结。事实上，本发明可涵盖可与在下面提出的实施例相似或不同的多种形式。
[0005]在第一实施例中，用于控制燃烧系统中的燃烧动态的系统包括燃气涡轮发动机，其包括第一燃烧器和第二燃烧器。第一燃烧器包括带有第一几何结构的第一端盖，而第二燃烧器包括带有第二几何结构的第二端盖。第一几何结构相对第二几何结构具有至少一个几何差异。
[0006]在第二实施例中，用于控制燃烧系统中的燃烧动态的系统包括第一涡轮燃烧器，其具有带有第一几何结构的第一端盖。第一几何结构面向第一头部端腔室，并且第一几何结构构造为至少部分地控制在第一涡轮燃烧器中的第一声学性和/或第一燃烧动态。
[0007]在第三实施例中，用于控制燃烧系统中的燃烧动态的方法包括控制在第一燃烧器中的第一声学性和/或第一燃烧动态，其中第一端盖的第一几何结构面向第一燃烧器的第一头部端腔室。该方法还包括控制在第二燃烧器中的第二声学性和/或第二燃烧动态，其中第二端盖的第二几何结构面向第二燃烧器的第二头部端腔室。第一和第二几何结构具有至少一个差异，来相对第一声学性改变第二声学性，和/或来相对第一燃烧动态改变第二燃烧动态。
【附图说明】
[0008]当参照附图阅读下列详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面以及优点将变得更好理解，其中，遍及附图，相同的特征代表相同的部分，其中:
[0009]图1是具有多个燃烧器的燃气涡轮系统的实施例的示意图，该燃烧器带有相应的多个端盖构造，其构造为控制燃烧动态和/或燃烧动态的模态耦合，来降低在下游部件中的不想要的振动响应的可能性；
[0010]图2是图1的燃烧器中的一个的实施例的剖面示意图，其中，燃烧器具有端盖，该端盖带有端盖几何结构(例如，有角度端盖)，其构造为控制燃烧动态和/或燃烧动态的模态耦合，来降低在下游部件中的不想要的振动响应的可能性；
[0011]图3是沿着线3-3截取的图1的燃气涡轮系统的实施例的剖面示意图，其示出了多个燃烧器，该燃烧器带有相应的多个端盖构造(例如，端盖几何结构)，其构造为控制燃烧动态和/或燃烧动态的模态耦合，来降低在下游部件中的不想要的振动响应的可能性；
[0012]图4是燃烧器的实施例的剖面示意图，该燃烧器具有端盖，该端盖带有不对称弯曲构造(例如，不对称向内弯曲的端壁)，其构造为控制燃烧动态和/或燃烧动态的模态耦合，来降低在下游部件中的不想要的振动响应的可能性；
[0013]图5是燃烧器的实施例的剖面示意图，该燃烧器具有端盖，该端盖带有不对称弯曲构造(例如，不对称向外弯曲的端壁)，其构造为控制燃烧动态和/或燃烧动态的模态耦合，来降低在下游部件中的不想要的振动响应的可能性；
[0014]图6是燃烧器的实施例的剖面示意图，该燃烧器具有端盖，该端盖带有在中央弯曲的构造(例如，对称向内弯曲的端壁)，其构造为控制燃烧动态和/或燃烧动态的模态耦合，来降低在下游部件中的不想要的振动响应的可能性；
[0015]图7是燃烧器的实施例的剖面示意图，该燃烧器具有端盖，该端盖带有在中央弯曲的构造(例如，对称向外弯曲的端壁)，其构造为控制燃烧动态和/或燃烧动态的模态耦合，来降低在下游部件中的不想要的振动响应的可能性；
[0016]图8是燃烧器的实施例的剖面示意图，该燃烧器具有端盖，该端盖带有多角构造(例如，多角端壁)，其构造为控制燃烧动态和/或燃烧动态的模态耦合，来降低在下游部件中的不想要的振动响应的可能性；
[0017]图9是燃烧器的实施例的剖面示意图，该燃烧器具有端盖，该端盖带有多角构造(例如，多角端壁)，其构造为控制燃烧动态和/或燃烧动态的模态耦合，来降低在下游部件中的不想要的振动响应的可能性；
[0018]图10是燃烧器的实施例的剖面示意图，该燃烧器具有端盖，该端盖带有不对称无规则构造(例如，不对称无规则端壁)，其构造为控制燃烧动态和/或燃烧动态的模态耦合，来降低在下游部件中的不想要的振动响应的可能性；以及
[0019]图11是燃烧器的实施例的剖面示意图，该燃烧器具有端盖，该端盖带有多角阶梯构造(例如，阶梯状端壁)，其构造为控制燃烧动态和/或燃烧动态的模态耦合，来降低在下游部件中的不想要的振动响应的可能性。
【具体实施方式】
[0020]下面将描述本发明的一个或更多具体实施例。在提供这些实施例的简明描述的努力中，可能不在说明书中描述实际执行的所有特征。应当理解的是，在任何这种实际执行的发展中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多具体执行决定来实现开发者的具体目标，例如服从可从一个执行向另一个改变的系统相关和商业相关的约束。而且，应当理解的是，这种开发努力可能是复杂且耗费时间的，但是尽管如此，对于享有本公开的益处的本领域技术人员将只是设计、制造以及加工的例行工作。
[0021]当介绍本发明的各种实施例的元件时，词语“一”、“一个”、“该”以及“所述”意图指存在一个或更多元件。术语“包括”、“包含”以及“具有”意图包含并且指可存在除了列出的元件外的附加元件。
[0022]公开的实施例针对减少燃烧动态和/或燃烧动态的模态耦合，来通过改变一个或更多涡轮燃烧器的几何结构(例如，修改的端盖构造)，减少在燃气涡轮系统中的下游部件中的不想要的振动响应。燃气涡轮燃烧器(或燃烧器组件)可产生燃烧动态，这归因于燃烧工序、向燃烧器内的进入流体流(例如，燃料、氧化剂、稀释剂等)的特性、以及各种其它因素。燃烧动态可特征在于，在某些频率下的压力波动、脉动、振荡和/或波。流体流特性可包括速度、压力、速度和/或压力上的波动、流路径的改变(例如，转向、形状、中断等)、或任何它们的组合。共同地，燃烧动态可潜在地引起在燃烧器的上游和/或下游的各种部件中的振动响应和/或共振行为。例如，燃烧动态(例如，在某些频率，频率范围、振幅、燃烧器与燃烧器相位等下)可在燃气涡轮系统中既向上游又向下游行进。如果燃气涡轮燃烧器、上游部件、和/或下游部件具有由这些压力波动(即，燃烧动态)驱动的固有或共振频率，那么压力波动可潜在地引起振动、应力、疲劳等。该部件可包括燃烧器衬套、燃烧器流套筒、燃烧器帽、燃料喷嘴、涡轮喷嘴、涡轮叶片、涡轮护罩、涡轮叶轮、轴承、燃料供应组件、或它们的任何组合。下游部件是具体关注点，因为它们对同相且连贯的燃烧频调(tones)更敏感。因而，减少连贯性具体地减少下游部件中的不想要的振动的可能性。
[0023]如在下面详细讨论的，公开的实施例可配备一个或更多燃气涡轮燃烧器，其带有修改的端盖构造(例如，端盖几何结构)，来修改燃烧器的声学响应和因此燃气涡轮燃烧器的燃烧动态(例如，压力波动、脉动、振荡、或波)，例如改变频率、振幅、燃烧器与燃烧器相位、频率的范围、或它们的任何组合。尤其是，修改的端盖构造可改动燃烧器的声学响应和因此燃烧动态，某种程度上充分减少或消除在涡轮燃烧器的上游和/或下游的部件和燃气涡轮燃烧器的任何不想要的振动响应。例如，修改的端盖构造可导致如下燃烧动态频率:其相对于燃气涡轮系统中的部件的任何共振频率而不同、移相、消冲(smear)或在更大的频率范围上展开、或它们的任何组合。通过改变端盖几何结构，引入声学路径长度的范围和因此声学波长的范围，其可在没有燃烧器的声学响应的情况下被激励、有效消冲。根据端盖几何结构的具体细节，声学波长的范围还可引入可被激励的横跨声学波长的范围的相位滞后，这将促进声学波长的破坏性干涉。由于燃烧器的声学响应与燃烧工序固有的火焰动态交互作用，因而关于声学波长上的改变和/或在声学波长中的增加的相位滞后来改变燃烧器的声学响应，在更大的频率范围上有效地消冲了燃烧动态频调的频谱，从而降低了燃烧动态振幅，和/或防止燃烧器中的燃烧动态的模态耦合。
[0024]除了在燃烧器水平上的修改(即，单独的涡轮压缩机)，公开的实施例可改变端盖构造(例如，端盖几何结构)，使得在一个燃烧器的端盖几何结构相对另一燃烧器的端盖几何结构之间存在至少一个几何差异。实际上，在多个燃气涡轮燃烧器中改变端盖构造，从燃烧器至燃烧器以在多个燃气涡轮燃烧器中减少燃烧动态振幅和/或燃烧动态的模态耦合的方式改变了声学性和因此燃烧动态。例如，修改的端盖构造可导致在燃烧器的声学响应和因此燃烧器动态频率上的燃烧器至燃烧器改变(例如，不同、移相、消冲或在更大的频率范围上展开、或它们的任何组合的频率)，因而降低了尤其是在与燃气涡轮系统的部件的共振频率匹配的频率下的燃烧器的模态耦合的可能性。
[0025]由此，燃气涡轮发动机可采用多种修改的端盖构造，来改动燃烧器的声学响应，并因而削减了由燃气涡轮发动机中的燃烧动态引起的在燃气涡轮系统部件中的不想要的振动响应。例如，各个燃气涡轮燃烧器的端盖的几何结构可包括一个或更多有角度表面、弯曲表面(例如，凹入表面、凸起表面、不变曲率、或变化曲率)、平坦表面、凹部、突起、多边形表面(例如，三角形表面、五边形表面、六边形表面、或四边形表面)、阶梯状或Z字形表面、卷绕表面、无规则表面(例如，不一致、不平整、或不对称、波状表面、有缺口表面、尖角表面、或锯齿状表面)、或它们的任何组合。在某些实施例中，至少一些(例如，2、3、4、5、6、7、8、9或10)或全部燃烧器具有带有端盖的不同旋转位置的共同的端盖(例如，有角度端盖)，例如，各个端盖可绕燃烧器的轴线旋转至相对其它涡轮燃烧器上的其它端盖的不同朝向。但是，在一些实施例中，至少一些(例如，2、3、4、5、6、7、8、9或10)或全部涡轮燃烧器具有不同的端盖，例如，不同的有角度端盖、不同的弯曲端盖、和