[發明專利]用于燃氣渦輪發動機的燃燒室

有效

• 申請號: 201580074272.9
• 申請日: 2015-10-14
• 公開（公告）號: CN107208893B
• 公開（公告）日: 2020-05-22
• 發明（設計）人: J·彼得森;U·雷德克林特
• 申請（專利權）人: 西門子股份公司
• 主分類號: F23R3/00
• 分類號: F23R3/00
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 王茂華;范懷志

一種用于燃氣渦輪發動機(1)的燃燒室(10)包括：內壁(22)，內壁(22)劃定燃燒室(10)的內部體積(V)的界限，燃燒氣體從燃燒器(2)通過內部體積(V)流動到燃氣渦輪發動機(1)的燃氣渦輪(3)；多個阻尼腔(30)，用于燃燒氣體的熱聲振動的阻尼，每個阻尼腔(30)通過內壁(22)上的至少一個阻尼孔(40)與內部體積(V)連通；至少一個冷卻通路(50)，用于供冷卻介質在內部體積(V)外流動，以與內壁(22)熱接觸，每個阻尼腔(30)包括與冷卻通路(50)連通的至少一個吹掃孔(60)，用于將冷卻介質的一部分通過阻尼腔(30)吹掃到內部體積(V)。

技術領域

本發明涉及用于燃氣渦輪的燃燒室和包括這樣的燃燒室的燃氣渦輪發動機。

背景技術

燃燒動力學中的熱聲效應是一種眾所周知的復雜現象，該現象在現代低排放燃氣渦輪燃燒裝置中出現得相當頻繁。燃燒過程固有的不穩定性引起了燃燒氣體的強有力的熱聲振動，這種強有力的熱聲振動可能是由熱釋放與周圍聲響之間多余的互作用造成的。由于燃燒過程所涉及的能量，高動態水平(high dynamic level)可能是致命的，并且在耦合的聲學-結構互作用中，這可能會損壞周圍的燃燒室結構。劇烈的燃燒動力還可能會影響燃氣渦輪的整體運行，這表現為試運轉期間的高排放水平和高成本。對這種現象加以抑制是必要的并且可以通過不同的方式來實現，例如最小化與源的聲互作用、改變聲頻譜、移動結構本征模式或者引入無源阻尼裝置來獲得可允許的動力水平。

通常，通過使用經典的亥姆霍茲共振器來解決對燃燒室中的(低頻)燃燒不穩定性的抑制。這種聲裝置的阻尼能力是通過在燃燒室壁中的孔的后面建立聲腔來實現的。

目標頻率是要被該裝置抑制的頻率f，它是通過腔的幾何參數來確定的，即：

-腔的體積Vc，

-腔與燃燒室之間的阻尼孔的橫截面面積A，

-腔與燃燒室之間的阻尼孔的長度L。

根據眾所周知的亥姆霍茲共振器原理(上述參數與亥姆霍茲共振器有關聯)，要被抑制的頻率f與面積A和體積Vc乘長度L的乘積之間的比率的平方根成比例，即，用符號表示為：

f～sqrt(A/(Vc*L)

長度L與將亥姆霍茲共振器與燃燒室分離的壁的厚度(一般情況下，范圍為從2mm至4mm)有關，并且阻尼孔的面積A不能高于上限，這取決于技術上的約束，尤其是對將亥姆霍茲共振器與燃燒室分離的壁的結構要求。阻尼孔的直徑的典型的取值范圍在0.5mm與4mm之間。因此，以上關系表明：解決中高頻f的僅有的實際可能性需要借助于小亥姆霍茲裝置，即，體積Vc的值較小的亥姆霍茲裝置。然而，由于當前制造技術的限制，這幾乎是不可能實現的。作為一種替代方案，使用所謂的帶孔缸套(perforated liner)或軟壁。

參照圖1和圖2，軟壁由燃燒裝置內壁22a中的大量窄間隔孔40a實現，燃燒裝置內壁22a與燃燒室1的外壁25a是間隔開的。窄間隔孔40a共享被包括在內壁22a與外壁25a之間的同一聲腔30a。這樣的裝置通常是通過焊接來制造的，這樣的裝置允許對如下頻率間隔進行抑制或限制：該頻率間隔的值取決于孔的尺寸、間距、腔深度和長度以及取決于通過孔的空氣流的速度。

第一個缺陷源于冷卻介質(特別是壓縮空氣)必須沿著腔30a流動。由于燃燒裝置的壁暴露于灼熱的氣體中，所以燃燒裝置的壁需要被冷卻，并且為此，通常需要大量的冷卻空氣在腔30a中低速流動。然而，由于連接在冷側上(即連接到冷卻空氣在其中流動的腔30a)的孔數以百計，存在著在腔30a中攝入灼熱的氣體的風險。該風險是由燃燒室內壁22a上不同切向和/或軸向的壓力變化引起的。為了抑制該問題，可能需要過量的冷卻空氣。

另外，在一些情況中，阻尼能力可能主要基于通過阻尼孔的高空氣流動速度，這種方法消耗大量的冷卻空氣并因此極力限制要使用的孔的數目。由于孔的數目與聲衰減的程度成正比，所以這種方法可能導致對燃燒不穩定性的阻尼不夠充分。