用于控制燃烧系统中的燃烧动态的系统的制作方法_2

文档序号:10077280阅读:来源:国知局
/或平坦端盖。在一些实施例中,在相邻的燃烧器端盖之间的几何特性(例如,高度、宽度、深度、长度、角度、角特性、曲率半径、几何特征的朝向等)可不相同。尤其是,在一些实施例中,相邻的燃烧器端盖可具有下列任一项:不同的几何形状、不同的几何特性、不同的几何配置、或它们的任何组合。
[0026]由此,采用具有一个或更多改变的端盖(例如,具有不同几何结构的端盖)的一个或更多燃烧器的公开实施例,有助于改变燃烧器的声学响应和因此在各个燃烧器内和相邻燃烧器中的燃烧动态,因而削减了燃烧器的模态耦合,这降低了在燃烧器下游的部件中的不想要的振动响应的可能性。例如,提供带有特定几何结构的燃烧器端盖(例如,有角度端盖)可提供多个声波长度、或声波长度的范围,这可在燃烧器内形成更宽的声学响应。此夕卜,提供带有不同几何结构(例如,不同的几何形状、特性、或配置)的相邻燃烧器端盖,可在燃烧器内提供不同的声学响应,并且从燃烧器到燃烧器降低了燃气涡轮系统的燃烧器的同相和连贯行为的可能性。
[0027]考虑前述,图1是具有多个燃烧器12的燃气涡轮系统10的实施例的示意图,其中各个燃烧器12配备有燃烧器端盖13,其具有不同于相邻燃烧器12的燃烧器端盖13的修改的端盖构造和/或几何结构。换而言之,燃烧器12的端盖几何结构相对于相邻燃烧器12的端盖几何结构具有至少一个几何差异。在各个燃烧器12中,端盖13可具有修改的端盖构造(例如,有角度、弯曲、阶梯状等),其构造为使特定燃烧器12中的声学性和因此燃烧动态变化,因而有助于降低在燃烧器12下游的部件中的不想要的振动响应。
[0028]例如,修改的端盖构造可包括几何特征来使燃烧器的声学响应变化(例如,使频率变化、拓宽频率的范围、使频率移相、或任何组合),因而有助于降低在燃烧器12和/或燃烧器12上游或下游的部件的共振频率处或附近的频率处的燃烧动态的振幅。此外,公开的实施例可改变在多个燃烧器12之间的端盖13的几何结构,来有助于减少或避免在多个燃烧器12中的燃烧动态的任何模态耦合,因而有助于减少在多个燃烧器12下游的燃气涡轮部件的任何不想要的振动响应。例如,公开的实施例可改变在多个燃烧器12中的端盖13的几何形状(例如,有角度、弯曲、阶梯状、凹入、凸起、或平坦)、几何特性(例如,高度、宽度、深度、长度、角度、角特性、或曲率半径)、几何配置(例如,在不同的端盖之间的旋转度、轴向位置等)或它们的任何组合。作为结果,在燃烧器12中的端盖13的不一致的几何结构构造可有助于在燃烧器12中从一个燃烧器到另一个改变燃烧动态,因而导致在频率上的变化、频率的范围的消冲或拓宽、使频率移相、或它们的任何组合。因而,由多个燃烧器12产生的燃烧动态较不可能导致可潜在地引起燃气涡轮系统10中的不想要的振动响应的连贯行为。
[0029]在示出的实施例中,涡轮系统12具有多个燃烧器12,其均配备有端盖13(例如,有角度端盖),该端盖13具有联接至侧壁17 (例如,环形侧壁)的有角度端壁15。这些有角度端盖13 (例如,有角度端壁15)可从一个燃烧器12到另一个改变,例如,在有角度端壁15的角21(见图2)、圆周46朝向、或这两者上改变。例如,有角度端盖13 (尤其是,有角度端壁15)可绕它们的轴线(例如,轴线11,见图2)从一个燃烧器12到另一个周向地46旋转偏移角。该偏移角可为大约10、20、30、40、50、60、70、80、90、120、150或180度、或任何其它适当的偏移角。应当注意到,端盖13可相对另一端盖13旋转大约1至359度之间的任意处。以这种方式,相邻或不相邻的端盖13的几何配置可改变,因而减少了在下游部件中的任何不期望的振动响应。在一些实施例中,端盖13的几何结构可从一个燃烧器12到另一个在几何形状、特性、和/或配置上改动。实际上,在一些实施例中,从一个燃烧器12到另一个在端盖13的几何结构之间存在至少一个几何差异。
[0030]燃气涡轮发动机10包括压缩机14、带有端盖13的一个或更多燃烧器12、以及涡轮16。燃气涡轮燃烧器12各包括端盖13,其可构造为将燃料流从一个或更多燃料源引导至燃烧器12内的一个或更多燃料喷嘴(例如,1、2、3、4、5、6或更多)。例如,如在图2中进一步所描述,端盖13构造为导引来自燃料源的液体燃料、气体燃料、和/或混合燃料并经由燃料喷嘴进入相应的燃烧室19。燃气涡轮燃烧器12在燃烧室19内点燃且使加压的氧化剂(例如,空气)和燃料的混合物(例如,空气-燃料混合物)燃烧,并然后使所得的热加压燃烧气体24 (例如,废气)行进入涡轮16。端盖13的改变的几何结构可改变从压缩机14行进至燃烧室19的氧化剂(例如,压缩空气)的入口条件,例如,空气的速度、提供至燃料喷嘴的空气的分布等。此外,改变行进至燃烧室19的燃料和氧化剂(例如,空气)的入口条件可改变、调整、或使燃烧室19内的燃烧动态变化。修改燃烧动态转而可降低在燃烧器
12、上游部件、和/或下游部件中的不想要的振动响应的可能性。此外,改变相邻端盖13的几何结构可改变行进至相邻燃烧室19的燃料和氧化剂(例如,空气)的入口条件,并且可因而改变在相邻燃烧器12中的燃烧动态。多个燃烧器12之间的改变的燃烧动态转而可降低燃烧器12之间的模态耦合的可能性,并且因而可进一步降低在下游部件中的不想要的振动响应的可能性。
[0031]上游和下游部件可包括燃料供应系统、压缩机14、和/或涡轮16。涡轮16内的涡轮叶片联接至燃气涡轮系统10的轴26,其还可联接至遍及涡轮系统10的若干其它部件。在燃烧气体24逆向且在涡轮16的涡轮叶片之间流动时,涡轮16被驱动成旋转,该旋转引起轴26旋转。最终,燃烧气体24经由排气出口 28排出涡轮系统10。此外,在示出的实施例中,轴26联接至负载30,该负载30经由轴26的旋转来推动。负载30可为经由涡轮系统10的扭矩产生功率的任何适当的装置,例如,发电机、飞机的螺旋桨、或其它负载。
[0032]燃气涡轮系统10的压缩机14包括压缩机叶片。如上面所讨论,压缩机14内的压缩机叶片联接至轴26,并且将在轴26由涡轮16驱动旋转时旋转。当压缩机叶片在压缩机14内旋转时,压缩机14压缩从空气进口 32接收的空气(或任何适当的氧化剂)来产生加压空气34。然后将加压空气34供给入燃烧器12的燃料喷嘴。如在上文所述,燃料喷嘴将加压空气34和燃料混合,来产生用于燃烧的适当的混合比。在下面的讨论中,可对燃烧器12的轴向方向或轴线(例如,纵向轴线)、燃烧器12的径向方向或轴线44、以及燃烧器12的周向方向或轴线46进行引用。
[0033]图2是图1的燃烧器12中的一个的实施例的剖面图,该燃烧器12包括带有第一几何结构的燃烧器端盖13 (例如,处于角21的有角度端盖13)。燃烧器12包括头部端50、燃烧器帽组件54、以及燃烧室19。燃烧器12的头部端50大体在轴向地定位于端盖13和燃烧室19之间的头部端腔室51中包封帽组件和燃料喷嘴18。燃烧器帽组件54大体包含燃料喷嘴18。燃料喷嘴18使燃料、空气、以及有时其它流体行进至燃烧室19。燃烧器12具有绕燃烧室19和燃烧器12的轴线42周向地46延伸的一个或更多壁,并且通常代表多个燃烧器12中的一个,燃烧器12布置成绕燃气涡轮系统10的旋转轴线(例如,轴26)周向地分隔开的配置。在某些实施例中,可修改至少一个燃烧器12的端盖13的几何结构,来改变声学性和因此在燃烧器12中的燃烧动态,或者端盖13的几何结构可在两个或更多(或全部)燃烧器12之间改变,来改变声学性和因此在燃烧器12中的燃烧动态。例如,相邻的端盖13可包括在几何形状、几何特性、和/或几何配置上的差异,使得相邻的端盖13在它们之间具有至少一个几何差异。具体地,如在下面详细讨论的,在端盖13上的变化性有助于改变声学性和因此在多个燃烧器12的各个中的燃烧动态,使得燃烧动态频率、频率范围、和/或各个燃烧器12的振幅不同于在燃气涡轮系统10内的相邻燃烧器12。此外,改变燃烧器的声学响应可改变两个或更多燃烧器的燃烧动态的相位关系。以这种方式,在端盖13上的变化性有助于减少在燃气涡轮系统10中的不想要的振动响应,并因此减小燃气涡轮系统10的振动应力、磨损、性能损失。
[0034]在示出的实施例中,一个或更多燃料喷嘴18附接至端盖13,并且穿过燃烧器帽组件54行进至燃烧室19。例如,燃烧器帽组件54包含一个或更多燃料喷嘴18 (例如,1、2、3、4、5、6或更多),并且可为各个燃料喷嘴18提供支撑。燃烧器帽组件54沿着燃料喷嘴18的长度的部分布置,将燃料喷嘴18容纳在燃烧器12内。各个燃料喷嘴18促进加压空气和燃料的混合,并且穿过燃烧器帽组件54将混合物引导入燃烧室19。空气燃料混合物可然后在腔室19的主燃烧区域62中燃烧,因而产生热加压废气。这些加压废气驱动在涡轮16内的叶片的旋转。
[0035]各个燃烧器12包括外壁(例如,流套筒58),其绕内壁(例如,燃烧器衬套60)周向地布置,来限定中间流通路或空间64,而燃烧器衬套60绕燃烧室19周向地延伸。内壁60还可包括过渡件66,其通常朝向涡轮16的第一级会聚。冲击套筒65绕过渡件66周向地布置。衬套60限定燃烧器12的内表面,其直接面向且暴露于燃烧室19。流套筒58和冲击套筒65包括多个穿孔61,其将来自压缩机排放口 68的空气流67引导入流通路64,并且使空气冲击衬套60和过渡件66以用于冲击冷却的目的。流通路64然后在朝向头部端50的上游方向(即,相对热燃烧气体的下游方向69)上引导空气流67,使得空气流67还在流动穿过头部端腔室51、穿过燃料喷嘴18、和进入燃烧室19之前冷却衬套60。
[0036]端盖13可具有特定几何结构,例如几何形状、特性、或配置,其可构造为改变燃烧器的声学响应和因此燃烧器12内的燃烧动态(例如,压力脉动、波动、或振荡)。例如,头部端腔室51由端盖13、轴向地42从端盖13偏移的燃烧器帽组件54以及绕腔室51周向地46延伸的壁53来限定或界定。对端盖13的几何结构变化可使头部端腔室51的该边界的部分和/或头部端腔室51的体积变化,因而改动头部端腔室51的声学特性,并因而改动燃烧器的声学响应和因此燃烧器12的燃烧动态。例如,修改的端盖13可导致改变频率、振幅、或一个燃烧器的燃烧动态相对另一个的相对相位、或它们的组合。在某些实施例中,端盖13可以以调节燃烧器12在某一频率下或在某一频率范围内操作的方式来修改。在多燃烧器12燃气涡轮系统10中,各个燃烧器12可配备有修改的端盖13,其调节燃烧器12以在某一频率和/或频率范围下操作。例如,燃烧器12可配备有修改的端盖13,其从燃烧器到燃烧器交替燃烧动态频率,逐渐地提高或降低燃烧动态频率或在多个燃烧器12中随机地分布燃烧动态频率。
[0037]在示出的实施例中,端盖13(例如,有角度端盖)相对径向方向44(例如,燃烧器帽组件54的平面)具有角21。角21可为大约1至60、2至45、3至40、4至20、或5至15度。在一些实施例中,在所有燃烧器12中,角21可相同,而一个或更多(或所有)端盖13绕它们的轴线(例如,燃烧器12的轴线11)周向地46旋转,来相对燃气涡轮系统10的燃料喷嘴18、燃烧室19、以及轴26改动端盖13的朝向。在其它实施例中,燃烧器12可包括用于端盖13的2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多不同的角21,并且一个或更多(或所有)端盖13绕它们的轴线(例如,燃烧器12的轴
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