一种抑制燃气轮机燃烧器热声振荡的结构及方法

技术领域

本发明涉及抑制燃气轮机燃烧器热声振荡领域，尤其是一种抑制燃气轮机燃烧器热声振荡的结构及方法。

背景技术

燃烧器是燃气轮机的三大核心部件之一，燃料和空气在其中混合并发生剧烈的燃烧化学反应，形成高温、高压燃气，为透平做功提供动力源泉。其中，热声振荡是制约燃烧器乃至燃气轮机向高效率、高温升目标进阶过程中的主要因素。热声振荡源于火焰热释放速率和压力扰动之间的耦合作用，压力扰动影响局部瞬时热释放速率，反过来热释放速率变化又会产生与初始扰动有一定时间(相位)延迟的压力扰动，随后，压力扰动波在火焰筒边界处被反射，最终形成闭环反馈回路。

当燃烧过程向声场提供能量的速率大于声能的耗散时，就造成大幅度压力波动，包括不同模态的周向、轴向、径向及复合振荡，会引起回火或熄火，导致部件烧蚀、甚至停机；与结构发生共振时，会加剧零部件低周或高周疲劳，缩短部件寿命甚至造成部件失效；干扰控制系统运行，危害燃机运行安全；所以，如何抑制燃气轮机燃烧器热声振荡是目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种抑制燃气轮机燃烧器热声振荡的结构及方法，能够有效抑制燃气轮机燃烧器热声振荡，降低热声振荡产生的影响。

本发明采用的技术方案如下：一种抑制燃气轮机燃烧器热声振荡的结构，包括外层管道和位于外层管道内的内层环管，内层环管的长度为声波波长的四分之一，所述外层管道与内层环管之间形成谐振腔，所述谐振腔的一端为用于进出声波的环腔口，所述谐振腔的另一端具有用于连接外层管道与内层环管的连接环。

进一步地，所述内层环管的轴线与外层管道的轴线共线。

进一步地，所述连接环上位于所述谐振腔内的端面均垂直于所述内层环管、外层管道的轴线。

进一步地，所述外层管道上开设有若干个冷却孔，所述冷却孔与谐振腔连通。

进一步地，若干个所述冷却孔沿着外层管道周向阵列。

进一步地，若干个所述冷却孔沿着外层管道的轴线阵列。

一种抑制燃气轮机燃烧器热声振荡的方法，应用所述的结构，包括以下步骤：

S1：安装，以结构中的环腔口朝激励源安装；

S2：振源产生的入射波通过环腔口进入谐振腔；

S3：振源产生入射波进入谐振腔后在连接环位置发生反射，形成与入射波同频率、相位相反的反射波；

S4：反射波与入射波叠加，抑制热声振荡。

进一步地，调整内层环管的长度抑制不同频率的入射波。

进一步地，调整内层环管的直径抑制不同幅值和带宽入射波。

进一步地，调整结构的安装位置抑制不同的激励源产生的入射波。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明通过外层管道与内层环管形成的一端封闭谐振腔，振源产生的热声振荡入射波进入谐振腔后发生反射，形成同频率的、相位相反的反射波，反射波与入射波相互叠加，从而使得声波相互抵消而消失，或者衰弱入射声波的振幅，以此实现对热声振荡的抑制。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是为本发明公开的结构轴向剖视示意图；

图2为图1中A-A方向的剖视示意图；

图中标记：1-外层管道；11-冷却孔；2-内层环管；3-连接环；4-谐振腔；41-环腔口。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

如图1－图2所示，一种抑制燃气轮机燃烧器热声振荡的结构，包括外层管道1和位于外层管道1内的内层环管2，内层环管2的长度为声波波长的四分之一，所述外层管道1与内层环管2之间形成谐振腔4，所述谐振腔4的一端为用于进出声波的环腔口41，所述谐振腔4的另一端具有用于连接外层管道1与内层环管2的连接环3，连接环3一方面具有反射入射波的作用，另一方面用于连接内层环管2与外层管道1。

在本实施例中，以环腔口41朝向火焰筒内的振源方向安装该结构，当火焰筒内产生声波时候，并且火焰筒内的声波通过环腔口41进入到谐振腔4内，当入射波到达谐振腔4的封闭端面(即本实施例中的连接环3的端面)时，入射波发生反射产生与入射波同频率、相位相反的反射波，该反射波与入射波叠加从而相互抵消，即使相邻频率段的入射波与反射波不能完全抵消，但也可衰弱入射波的振幅实现对热声振荡的抑制。

需要说明的是，经过研究，内层环管2的固有频率正好使入射波的频率(即能够共振)时，能达到最好的消声效果，而内层环管2的轴向长度直接影响其固有频率，所以，以共振时候的频率来计算内层环管2的轴向长度，使得抑制热声振荡的效果最好。

实施例2

在实施例1的基础上，进一步地提出可实施的具体实施方式。

一种可行的具体实施方式，所述内层环管2的轴线与外层管道1的轴线共线，使得谐振腔4的各个位置的径向长度相等，从而使得谐振腔4中任意位置的单位弧度所具有的面积与主管道的截面积之比相等，保证能够使得入射波损失同样的幅值及带宽，进一步地提高抑制热声振荡的效果。

一种可行的具体实施方式，所述连接环3上位于所述谐振腔4内的端面均垂直于所述内层环管2、外层管道1的轴线，即连接环3以垂直的于谐振腔4的轴线方向的状态封闭谐振腔4，使得入射波能够以垂直于封闭端面的状态到达连接环3的端面，从而能够产生速度运动方向与入射波运动方向平行且相反的反射波，提高反射波与入射波的叠加效果，从而提高抑制热声振荡的效果。

实施例3

在实施例1－2中任意一个实施方式的基础上，进一步地提出可实施的具体实施方式。

一种可行的具体实施方式，所述外层管道1上开设有若干个冷却孔11，所述冷却孔11与谐振腔4连通，低温(相对于燃烧筒中的高温)的冷流能够通过冷却孔11进入谐振腔4，再从环腔口41流出，从而达到利用冷流提升冷却性能；另一方面，冷流能够降低热辐射引起内层环管2侧轴向长度增量，保证内层环管2在使用时的轴向长度更接近于设计长度，而内层环管2的轴向长度直接影响其固有频率，内层环管2固有频率越接近入射波的频率抑制热声振荡的效果越好，即通过设置冷却孔11能够达到抑制热声振荡的效果更接近于设计需要。

在本实施方式中，所述冷流为低温的空气。

如图2所示，进一步地，在上述实施方式的基础上，若干个所述冷却孔11沿着外层管道1周向阵列，使得冷流能够均匀的从外层管道1的周向进入谐振腔4，从而达到周向均匀冷却谐振腔4的目的；若干个所述冷却孔11沿着外层管道1的轴线阵列，使得冷流能够均匀的从外层管道1的轴向进入谐振腔4，从而达到轴向均匀冷却谐振腔4的目的；周向和轴向均匀冷却，达到对整体进行均匀的冷却的目的。

实施例4

如图1-图2所示，一种抑制燃气轮机燃烧器热声振荡的方法，应用实施例1-3中任意一项实施方式所述的结构，包括以下步骤：

S1：安装，以结构中的环腔口41朝激励源安装，激励源产生的入射波能够以垂直于谐振腔4的截面的方向进入到谐振腔4内；

S2：振源产生的入射波通过环腔口41进入谐振腔4；

S3：振源产生入射波进入谐振腔4后在连接环3位置发生反射，形成与入射波同频率、相位相反的反射波；

S4：反射波与入射波叠加，抑制热声振荡；

在步骤S2-S4进行的同时，通过冷却孔11向谐振腔4中通入冷流，一方面冷流冷却设备提高冷却性能；另一方面冷流减少内层环管2因高温产生的轴向形变，保证抑制热声振荡的效果。

进一步地，调整内层环管2的长度抑制不同频率的入射波，具体的，调整内层环管2的长度从而调整内层环管2的固有频率，进一步地调整内层环管2与入射波的共振频率，而频率是波的固有物理性质，其不会因为共振而改变波自身的频率，所以，调整内层环管2的轴向长度能够抑制达到抑制不同频率的热声振荡；如温度为700K，声速约为530m/s的条件下，内层环管2的轴向长度为44.17mm，其固有频率为3000Hz，能够抑制频率为3000Hz的热声振荡(入射波)；又如温度为700K，声速约为530m/s的条件下，内层环管2的轴向长度为53mm，其固有频率为2500Hz，能够抑制频率为2500Hz的热声振荡(入射波)；又如温度为700K，声速约为530m/s的条件下，内层环管2的轴向长度为66.25mm，其固有频率为2000Hz，能够抑制频率为2000Hz的热声振荡(入射波)。

进一步地，调整内层环管2的直径抑制不同幅值和带宽入射波；具体的，调整内层环管2的直径实际上调整谐振腔4的截面面积与外层管道1的截面面积的比值，从而达到抑制不同幅值和带宽的热声振荡(入射波)的目的。具体的，截面面积的比值越大，有效抑制的频率带宽越宽，对脉动幅值的控制能力更大。

进一步地，调整结构的安装位置抑制不同的激励源产生的入射波。由于燃烧器内存在不同振荡模态，包括轴向、径向和周向，各种模态也可能发生耦合，导致燃烧器不同位置处的声压分布形态和特性区别极大，比如某些位置可能仅存在轴向模态、无周向模态；因此，将结构安装于燃烧筒内的不同位置，对不同模态的抑制效果不同。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。