尤其在燃气轮机内阻尼热声振荡的方法和装置

摘要

本发明涉及一种借助谐振器(70)阻尼热声振荡(60)的方法，谐振器(70)有谐振容积(42)，其中，在倾向于热声振荡的空腔(46)内诱发热声振荡(60)，以及至少部分热声振荡(60)从空腔(46)输出耦合并输入耦合到谐振容积(42)内，其中，在谐振容积(42)内产生阻尼振荡(62)，它与热声振荡(60)调谐，其中，至少部分阻尼振荡(62)以这样的方式输入耦合到空腔(46)内，即，使得阻尼振荡与热声振荡在重叠区(64)叠加，以及其中，至少在重叠区(64)内基本上消除振荡。本发明涉及一种阻尼在能振荡的空腔(46)内的热声振荡(60)的装置，包括有谐振容积(42)的谐振器(70)和空腔(46)，因此空腔(46)通过输出耦合管(72)与谐振容积(42)连接，其中输出耦合管(72)有调整器(76)，借助它可以影响输出耦合管(72)内的热声振荡，以及其中，从谐振器(70)至空腔(46)连接另一根谐振器管(44)。本发明还涉及一种采用按本发明的方法和装置(65)的燃烧室(4)和一种有这种燃烧室(4)的燃气轮机(1)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种借助谐振器阻尼热声振荡的方法，谐振器有一个谐振容积；以及涉及一种阻尼在能振荡的空腔内的热声振荡的装置，包括有谐振容积和空腔的谐振器。

背景技术

本方法和装置应可使用在燃气轮机的燃烧室内。

燃气轮机装置包括例如压气机、燃烧室和涡轮。吸入的空气在压气机内进行压缩，接着在空气内混合燃料。混合物在燃烧室内燃烧，其中，将燃气供给涡轮。燃气被涡轮提取热能并转化为机械能。

混合物燃烧时在燃烧室内产生热声振荡，它们传入轴内。在燃烧室内构成一种有谐振频率的驻波，这种谐振频率不可逆地损害燃烧室。所述的热声问题意味着是在设计和运行此类燃气轮机的新燃烧室、燃烧室零件和燃烧器时面临的问题。

因此，在现有技术中为了减小热声振荡使用例如亥姆霍兹谐振器来阻尼振荡。亥姆霍兹谐振器通常包括一个容积，它具有处于其中的空气或其他气体。与此容积连接一根管子，即所谓的谐振器管，在管内同样有空气或气体，以及使该管子通入燃烧室内。容积内和谐振器管内的空气或气体构成一个弹簧-质量系统，其中，容积内的空气或气体形成弹簧以及谐振器管内的空气或气体形成质量。当弹簧-质量系统以通过容积、谐振器管的横截面积和谐振器管的长度确定的谐振频率振荡时，亥姆霍兹谐振器如同一个无限长的孔，它能阻止具有谐振频率的驻波。

然而亥姆霍兹谐振器有固定的谐振频率。形成的热声振荡只有用那些与亥姆霍兹谐振器的谐振频率一致或处于其附近的频率才能有效抑制。对于那些与之不同的频率，亥姆霍兹谐振器的效用明显下降。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种改进的用于阻尼热声振荡的方法和装置，它们有有效的作用和灵活地面对要阻尼的热声振荡的变化。所述方法和装置应能使用于燃气轮机的燃烧室。

涉及方法方面的技术问题按照本发明通过一种借助谐振器阻尼热声振荡的方法得以解决，该谐振器有一个谐振容积，其中，在一个倾向于热声振荡的空腔内诱发热声振荡，以及至少部分热声振荡从空腔输出耦合并输入耦合到谐振容积内，从而在谐振容积内产生阻尼振荡，它与热声振荡调谐，其中，至少部分阻尼振荡以这样的方式输入耦合到空腔内，即，使得阻尼振荡与热声振荡在一个重叠区叠加，以及其中，至少在重叠区内基本上消除这些振荡。

本发明基于以下认识，在一个能振荡的空腔内的热声振荡的实际频率与谐振器的事先计算的谐振频率之差，通过阻尼时明显的功效损失表征。这些偏差可例如由于空腔，例如燃烧室在机械方面改变或通常的热干扰或其他的干扰引起。由此也减小声阻尼，从而增大热声振荡。在这种情况下会导致热与声干扰之间相互激励的作用，这引起空腔、例如燃烧室的高负荷。迄今使用的谐振器按固定和预定的谐振频率设计，并因而在能振荡的空腔的声学特性改变时不再能达到期望的阻尼效果。

现在从这一认识出发，第一次采用按本发明的用于阻尼空腔内热声振荡的方法，防止在阻尼时出现不希望的效应下降。这通过谐振器的谐振频率与空腔内热声振荡瞬时存在的频率相匹配实现。

本发明的基本原理在于，一方面进行有目的地激励谐振器，另一方面所述的激励借助热声振荡本身发生。在这种情况下谐振器的表现又如同一个理想谐振器。这通过使部分热声振荡以这样的方式在谐振器内输入耦合实现，即，使谐振器产生在谐振器内的阻尼振荡激励，确切地说，在产生的阻尼振荡反馈时，在空腔内至少在热声振荡与阻尼振荡重叠区内基本消除这些振荡。空腔的部分热声振荡本身用于激励谐振器容积。因此在热声振荡的频率改变时也造成在谐振器内振荡的输出耦合和输入耦合频率的变化，与之同时也改变了谐振器产生的阻尼振荡。此外，先前发生的热声振荡的输出耦合，促使谐振器相对于热声振荡延时激励。这种延时以这样的方式调整，即，使得产生的阻尼振荡在重叠区用热声振荡消除(毁灭性干涉)。所述延时由热声振荡输出耦合的部分从空腔到谐振器的传播时间造成。

因此这种方法允许谐振器与空腔内当时存在的热声振荡进行事后调谐。通过阻尼振荡与声振荡及局部消振的这种匹配，即使由于外部影响使热声振荡的频率与谐振器必要的谐振事先计算的频率不同时，也能防止可能在空腔内形成有谐振频率的驻波。由此在空腔内不再可能发生会损坏空腔或构成空腔边界的壁的谐振灾难。

此外，将空腔振荡利用于激励谐振器容积意味着是谐振器激励的一种便利而简单的方案。不需要其他用于谐振器的激励器。

按优选的设计，阻尼振荡相对于热声振荡反相调谐。由此导致阻尼热声振荡。

优选地，阻尼振荡在频率、相位和波长方面加以调整。由此导致在重叠区完全消除这两种振荡。

接优选的设计，阻尼振荡的相位在重叠区内通过影响从空腔输出耦合的热声振荡的持续时间调整。这可以使谐振器方便地事后与热声振荡匹配。简便的可调性尤其例如在空腔遭受差别巨大的工作温度的情况下是有利的，因为此时空腔的自然频率因空腔热声特性改变而变动。

优选地，为达到时间上连续地消振，在重叠区内阻尼振荡就地与热声振荡匹配。由此在强烈波动的外部影响下保证快速地基本上消除这两种振荡。就地匹配可以通过一个调节回路实现，它重调延时并进而重调相位，始终基本上完全消振。

按优选的设计，阻尼振荡在10Hz与400Hz之间的频率范围内调整。这种大范围的频率可调性允许空腔有多种使用可能性和变化可能性。所述频率范围尤其对于设计为燃烧室的空腔是特别令人感兴趣的，在这种空腔中热声振荡可以基于燃烧不稳定性形成和传播。

优选地，热声振荡在空腔内通过燃烧振荡诱发。当一种适用的燃料/气体混合物在空腔内燃烧时形成例如高温气体，它接着用于产生能量。

涉及装置方面的技术问题按本发明通过一种阻尼在能振荡的空腔内的热声振荡的装置得以解决，包括一个有谐振容积的谐振器和一个空腔，在这里，空腔通过输出耦合管与谐振容积连接，其中，输出耦合管有一个调整器，借助它可以影响输出耦合管内的热声振荡，以及其中，从谐振器至空腔连接另一根谐振器管。

此装置的基本原理是，它由谐振器、空腔、谐振管和带调整器的输出耦合管组成，借助调整器可以改变热声振荡，确切地说装置设计为，例如热声振荡频率的变化促使改变谐振器内产生的阻尼振荡。所述改变设计为，使激励谐振器产生一种阻尼振荡，它在阻尼振荡借助谐振器管反馈到空腔内时，达到在重叠区内局部消除热声振荡。这种消振在空腔内防止形成有谐振频率的驻波并由此防止损坏空腔。

按优选的设计，调整器是一个移相器。用它可以调整热声振荡的相位。调整为正确的相位促使谐振器用热声振荡的正确相位激励。这对于产生与热声振荡相调谐的、相位正确的阻尼振荡是必要的。

优选地，移相器具有可以实现输出耦合管的长度改变的器件。这种长度改变可以方便地实施，例如通过一个安装在输出耦合管外面的机械移动装置，它沿为此规定的方向加长或缩短输出耦合管的长度。采用这种移动装置使谐振器的维护特别方便。

按优选的设计，移相器具有可以实现输出耦合管的横截面改变的器件。这种横截面改变与长度改变一样可例如通过一个安装在外面的机械移动装置实现。在这里谐振器的维护也特别方便。

优选地，移相器具有可以影响热声振荡在输出耦合管内的传播速度的器件。通过影响热声振荡的传播速度，可以影响谐振器的激励，确切地说设计为，使之对于产生的阻尼振荡在重叠区内消除这两种振荡方面起积极的作用。

按另一项设计，移相器具有可以实现输出耦合管内介质的温度改变的器件。影响温度导致改变热声振荡的频率。由此也改声谐振器的激励，确切地说设计为，使之对于产生的阻尼振荡在重叠区内消除这两种振荡方面起积极的作用。这例如可以通过有目的地加热或冷却输出耦合管实现。为此，输出耦合管例如被水围绕，水在外部不仅可变动而且在改变时空腔内可以迅速冷却和加热。

优选地，移相器具有可以实现输出耦合管内介质的压力改变的器件。改变压力导致输出耦合管内密度改变，由此可以改变热声振荡的频率。

优选地，移相器具有这样的器件，通过它可以在输出耦合管内插入一个含有相位可变的介质的容器。在这里可有利地在空腔或外部影响改变时迅速而有效地作出反应，在容器中使用了另一种相位改变的介质，例如另一种液体或另一种气体。

按优选的设计，空腔由燃烧室构成。在这里可例如通过燃烧一种燃料/空气混合物形成高温气流，它接着用于产生能量。

按优选的设计，所述装置设在燃烧室内，其中，燃烧室有一个内机匣和一个部分围绕燃烧室的外机匣，以及其中，谐振器安置在内机匣上。

按另一项设计，所述装置设在燃烧室内，其中，燃烧室有一个内机匣和一个部分围绕燃烧室的外机匣，以及其中，谐振器安置在外机匣上。这种设计使维护特别方便，因为在燃烧室外部可以接近谐振器。

附图说明

下面借助附图举例详细说明本发明。在附图简化和未按尺寸比例地示出：

图1表示燃气轮机的示意图；

图2表示按现有技术的亥姆霍兹谐振器；以及

图3表示按本发明的热声振荡阻尼装置及方法，其中按照该装置对此方法进行了阐述。

在所有的附图中相同的部分采用相同的附图标记。

具体实施方式

图1所示的燃气轮机1包括燃烧空气的压气机2、燃烧室4和驱动压气机2和没有表示的发电机或加工机械的涡轮6，以及有一个环腔24用于将高温气体M从燃烧室4过渡到涡轮6。所供入的空气L在压气机2内被压缩。为此涡轮6和压气机2装在一根共同的也称涡轮转子的涡轮轴8上，与之连接的还有发电机或作功机械，以及涡轮轴可绕其中心线旋转地支承。涡轮6有一些与涡轮轴8连接、可旋转的工作叶片12。工作叶片12环状排列在涡轮轴8上并因而构成一些工作叶片轮。此外，涡轮6还包括一些固定的导向叶片14。工作叶片12用于通过流过涡轮6的热介质，亦即工质，例如高温气体M的冲量传输来驱动涡轮轴8。导向叶片14则用于工质，例如高温气体M的流动导向。

在燃烧室4内由于混合物燃烧而形成热声振荡60。为防止形成有谐振频率的驻波，在围绕燃烧室4的燃烧室机匣26上安置亥姆霍兹谐振器20。

图2表示按照现有技术具有一个亥姆霍兹谐振器20的装置30，它可用于阻尼热声振荡60。亥姆霍兹谐振器20通过谐振器管44与空腔46连接。在空腔46内形成如它们例如在燃烧室4内通过燃烧产生的那种热声振荡60。亥姆霍兹谐振器20的任务是，防止在空腔46内形成有谐振频率的驻波，为此它在重叠区64内消除热声振荡60。这通过在谐振容积42内产生阻尼振荡62实现，阻尼振荡62通过谐振器管44进入空腔46并在那里与热声振荡60叠加并将其消除。由此防止空腔46损坏。在这里亥姆霍兹谐振器20有固定的谐振频率，将它事先与热声振荡60调谐。然而由于空腔46，例如燃烧室的热干扰，热声振荡60的频率变异。其结果是，亥姆霍兹谐振器20的有效性降低，也就是说，热声振荡60在重叠区64内仅被小量阻尼或根本未阻尼。因此在空腔46内可能形成会显著损坏空腔46的驻波。

图3表示按本发明用于阻尼热声振荡60的装置65和方法，其中按照装置65说明此方法。装置65在这里包括有谐振容积42的谐振器70、谐振器管44、空腔46，以及连接空腔46与谐振器70的谐振器管44以及还有输出耦合管72。输出耦合管72同样意味着是谐振器70与空腔46的连接装置。此外，输出耦合管72有一个调整器76。在空腔46，例如燃烧室内，形成热声振荡60。热声振荡的一部分74通过输出耦合管72输出耦合。它经由输出耦合管72在谐振器70内输入耦合并由此激励谐振器70。

安置在输出耦合管72上的调整器76促使改变在输出耦合管72内热声振荡的输出耦合的部分74。调整器76例如是一个沿方向L的移动装置，它导致输出耦合管72的长度改变。通过这种经调整的延时，热声振荡的输出耦合的部分74以这样的方式激励谐振器70，即，使得形成阻尼振荡62，它通过谐振器管44传入空腔46，在重叠区64内促使消除这两种振荡。若在空腔46内的热声振荡60的频率基于外部影响改变，则有必要改变阻尼振荡62的频率，以达到在重叠区64内消振。这部分地已通过改变热声振荡60以及谐振器70由振荡输出耦合的部分74诱发的激励的改变来实现。阻尼振荡62与空腔46内的热声振荡60进一步的匹配可通过不同地调整调整器76达到。调整器76的这种简单的作为例如移动装置的设计，尤其有利于维护并除此之外成本也低廉。

由此保证在重叠区64内基本消除两种振荡。从而避免在空腔46内形成有谐振频率的驻波。防止损坏空腔46。

对谐振器70谐振频率的事后调谐，允许例如作为样机试验时的燃烧室的空腔46，特别多样化和可靠的使用可能性。