用于控制燃燒系統中的燃燒動態的系統的制作方法
【技術領域】
[0001]公開的主題大體涉及燃氣渦輪系統，并且更特別地涉及用于控制燃燒動態及更具體地用于減少燃燒動態的模態耦合的系統和方法。
【背景技術】
[0002]燃氣渦輪系統大體包括燃氣渦輪發動機，其具有壓縮機區段、燃燒器區段、以及渦輪區段。燃燒器區段可包括一個或更多燃燒器(例如，燃燒罐)，其帶有燃料噴嘴，該燃料噴嘴構造為向各個燃燒器內的燃燒室噴射入燃料和氧化劑(例如空氣)。在各個燃燒器中，燃料和氧化劑的混合物燃燒來產生熱燃燒氣體，其然后流入并驅動渦輪區段中的一個或更多渦輪級。各個燃燒器可產生燃燒動態，該燃燒動態在燃燒器聲學振蕩與火焰動態(也公知為放熱的振蕩部件)交互作用時發生，來導致在燃燒器中的自激壓力振蕩。
[0003]燃燒動態可在多個離散的頻率下或橫跨一個頻率范圍發生，并且可向相對于相應燃燒器的上游和下游兩者行進。例如，壓力和/或聲波可例如穿過一個或更多渦輪級向下游行進入渦輪區段，或向上游行進入燃料系統。渦輪區段的某些下游部件可潛在地響應于燃燒動態，尤其是如果通過單獨的燃燒器產生的燃燒動態呈現出與彼此的同相和連貫關系，并且具有在部件的固有或共振頻率處或附近的頻率時。通常，“連貫性”指在兩個動態信號之間的線性關系的強度，并且強烈地受在它們之間頻率重疊度影響。在燃燒動態的內容中，“連貫性”是由燃燒系統呈現的模態耦合、或燃燒器與燃燒器聲學性交互作用的測量。由此，存在控制燃燒動態、和/或燃燒動態的模態耦合的需要，來降低在渦輪系統中的部件的任何不想要的共鳴振動響應(例如，共振行為)的可能性。
【實用新型內容】
[0004]在下面總結了在范圍上與原主張發明相適的某些實施例。這些實施例不意圖限制本主張發明的范圍，而是這些實施例僅僅意圖提供本發明的可能形式的簡要總結。事實上，本發明可涵蓋可與在下面提出的實施例相似或不同的多種形式。
[0005]在第一實施例中，用于控制燃燒系統中的燃燒動態的系統包括燃氣渦輪發動機，其包括第一燃燒器和第二燃燒器。第一燃燒器包括帶有第一幾何結構的第一端蓋，而第二燃燒器包括帶有第二幾何結構的第二端蓋。第一幾何結構相對第二幾何結構具有至少一個幾何差異。
[0006]在第二實施例中，用于控制燃燒系統中的燃燒動態的系統包括第一渦輪燃燒器，其具有帶有第一幾何結構的第一端蓋。第一幾何結構面向第一頭部端腔室，并且第一幾何結構構造為至少部分地控制在第一渦輪燃燒器中的第一聲學性和/或第一燃燒動態。
[0007]在第三實施例中，用于控制燃燒系統中的燃燒動態的方法包括控制在第一燃燒器中的第一聲學性和/或第一燃燒動態，其中第一端蓋的第一幾何結構面向第一燃燒器的第一頭部端腔室。該方法還包括控制在第二燃燒器中的第二聲學性和/或第二燃燒動態，其中第二端蓋的第二幾何結構面向第二燃燒器的第二頭部端腔室。第一和第二幾何結構具有至少一個差異，來相對第一聲學性改變第二聲學性，和/或來相對第一燃燒動態改變第二燃燒動態。
【附圖說明】
[0008]當參照附圖閱讀下列詳細描述時，本發明的這些和其它特征、方面以及優點將變得更好理解，其中，遍及附圖，相同的特征代表相同的部分，其中:
[0009]圖1是具有多個燃燒器的燃氣渦輪系統的實施例的示意圖，該燃燒器帶有相應的多個端蓋構造，其構造為控制燃燒動態和/或燃燒動態的模態耦合，來降低在下游部件中的不想要的振動響應的可能性；
[0010]圖2是圖1的燃燒器中的一個的實施例的剖面示意圖，其中，燃燒器具有端蓋，該端蓋帶有端蓋幾何結構(例如，有角度端蓋)，其構造為控制燃燒動態和/或燃燒動態的模態耦合，來降低在下游部件中的不想要的振動響應的可能性；
[0011]圖3是沿著線3-3截取的圖1的燃氣渦輪系統的實施例的剖面示意圖，其示出了多個燃燒器，該燃燒器帶有相應的多個端蓋構造(例如，端蓋幾何結構)，其構造為控制燃燒動態和/或燃燒動態的模態耦合，來降低在下游部件中的不想要的振動響應的可能性；
[0012]圖4是燃燒器的實施例的剖面示意圖，該燃燒器具有端蓋，該端蓋帶有不對稱彎曲構造(例如，不對稱向內彎曲的端壁)，其構造為控制燃燒動態和/或燃燒動態的模態耦合，來降低在下游部件中的不想要的振動響應的可能性；
[0013]圖5是燃燒器的實施例的剖面示意圖，該燃燒器具有端蓋，該端蓋帶有不對稱彎曲構造(例如，不對稱向外彎曲的端壁)，其構造為控制燃燒動態和/或燃燒動態的模態耦合，來降低在下游部件中的不想要的振動響應的可能性；
[0014]圖6是燃燒器的實施例的剖面示意圖，該燃燒器具有端蓋，該端蓋帶有在中央彎曲的構造(例如，對稱向內彎曲的端壁)，其構造為控制燃燒動態和/或燃燒動態的模態耦合，來降低在下游部件中的不想要的振動響應的可能性；
[0015]圖7是燃燒器的實施例的剖面示意圖，該燃燒器具有端蓋，該端蓋帶有在中央彎曲的構造(例如，對稱向外彎曲的端壁)，其構造為控制燃燒動態和/或燃燒動態的模態耦合，來降低在下游部件中的不想要的振動響應的可能性；
[0016]圖8是燃燒器的實施例的剖面示意圖，該燃燒器具有端蓋，該端蓋帶有多角構造(例如，多角端壁)，其構造為控制燃燒動態和/或燃燒動態的模態耦合，來降低在下游部件中的不想要的振動響應的可能性；
[0017]圖9是燃燒器的實施例的剖面示意圖，該燃燒器具有端蓋，該端蓋帶有多角構造(例如，多角端壁)，其構造為控制燃燒動態和/或燃燒動態的模態耦合，來降低在下游部件中的不想要的振動響應的可能性；
[0018]圖10是燃燒器的實施例的剖面示意圖，該燃燒器具有端蓋，該端蓋帶有不對稱無規則構造(例如，不對稱無規則端壁)，其構造為控制燃燒動態和/或燃燒動態的模態耦合，來降低在下游部件中的不想要的振動響應的可能性；以及
[0019]圖11是燃燒器的實施例的剖面示意圖，該燃燒器具有端蓋，該端蓋帶有多角階梯構造(例如，階梯狀端壁)，其構造為控制燃燒動態和/或燃燒動態的模態耦合，來降低在下游部件中的不想要的振動響應的可能性。
【具體實施方式】
[0020]下面將描述本發明的一個或更多具體實施例。在提供這些實施例的簡明描述的努力中，可能不在說明書中描述實際執行的所有特征。應當理解的是，在任何這種實際執行的發展中，如在任何工程或設計項目中，必須做出許多具體執行決定來實現開發者的具體目標，例如服從可從一個執行向另一個改變的系統相關和商業相關的約束。而且，應當理解的是，這種開發努力可能是復雜且耗費時間的，但是盡管如此，對于享有本公開的益處的本領域技術人員將只是設計、制造以及加工的例行工作。
[0021]當介紹本發明的各種實施例的元件時，詞語“一”、“一個”、“該”以及“所述”意圖指存在一個或更多元件。術語“包括”、“包含”以及“具有”意圖包含并且指可存在除了列出的元件外的附加元件。
[0022]公開的實施例針對減少燃燒動態和/或燃燒動態的模態耦合，來通過改變一個或更多渦輪燃燒器的幾何結構(例如，修改的端蓋構造)，減少在燃氣渦輪系統中的下游部件中的不想要的振動響應。燃氣渦輪燃燒器(或燃燒器組件)可產生燃燒動態，這歸因于燃燒工序、向燃燒器內的進入流體流(例如，燃料、氧化劑、稀釋劑等)的特性、以及各種其它因素。燃燒動態可特征在于，在某些頻率下的壓力波動、脈動、振蕩和/或波。流體流特性可包括速度、壓力、速度和/或壓力上的波動、流路徑的改變(例如，轉向、形狀、中斷等)、或任何它們的組合。共同地，燃燒動態可潛在地引起在燃燒器的上游和/或下游的各種部件中的振動響應和/或共振行為。例如，燃燒動態(例如，在某些頻率，頻率范圍、振幅、燃燒器與燃燒器相位等下)可在燃氣渦輪系統中既向上游又向下游行進。如果燃氣渦輪燃燒器、上游部件、和/或下游部件具有由這些壓力波動(即，燃燒動態)驅動的固有或共振頻率，那么壓力波動可潛在地引起振動、應力、疲勞等。該部件可包括燃燒器襯套、燃燒器流套筒、燃燒器帽、燃料噴嘴、渦輪噴嘴、渦輪葉片、渦輪護罩、渦輪葉輪、軸承、燃料供應組件、或它們的任何組合。下游部件是具體關注點，因為它們對同相且連貫的燃燒頻調(tones)更敏感。因而，減少連貫性具體地減少下游部件中的不想要的振動的可能性。
[0023]如在下面詳細討論的，公開的實施例可配備一個或更多燃氣渦輪燃燒器，其帶有修改的端蓋構造(例如，端蓋幾何結構)，來修改燃燒器的聲學響應和因此燃氣渦輪燃燒器的燃燒動態(例如，壓力波動、脈動、振蕩、或波)，例如改變頻率、振幅、燃燒器與燃燒器相位、頻率的范圍、或它們的任何組合。尤其是，修改的端蓋構造可改動燃燒器的聲學響應和因此燃燒動態，某種程度上充分減少或消除在渦輪燃燒器的上游和/或下游的部件和燃氣渦輪燃燒器的任何不想要的振動響應。例如，修改的端蓋構造可導致如下燃燒動態頻率:其相對于燃氣渦輪系統中的部件的任何共振頻率而不同、移相、消沖(smear)或在更大的頻率范圍上展開、或它們的任何組合。通過改變端蓋幾何結構，引入聲學路徑長度的范圍和因此聲學波長的范圍，其可在沒有燃燒器的聲學響應的情況下被激勵、有效消沖。根據端蓋幾何結構的具體細節，聲學波長的范圍還可引入可被激勵的橫跨聲學波長的范圍的相位滯后，這將促進聲學波長的破壞性干涉。由于燃燒器的聲學響應與燃燒工序固有的火焰動態交互作用，因而關于聲學波長上的改變和/或在聲學波長中的增加的相位滯后來改變燃燒器的聲學響應，在更大的頻率范圍上有效地消沖了燃燒動態頻調的頻譜，從而降低了燃燒動態振幅，和/或防止燃燒器中的燃燒動態的模態耦合。
[0024]除了在燃燒器水平上的修改(即，單獨的渦輪壓縮機)，公開的實施例可改變端蓋構造(例如，端蓋幾何結構)，使得在一個燃燒器的端蓋幾何結構相對另一燃燒器的端蓋幾何結構之間存在至少一個幾何差異。實際上，在多個燃氣渦輪燃燒器中改變端蓋構造，從燃燒器至燃燒器以在多個燃氣渦輪燃燒器中減少燃燒動態振幅和/或燃燒動態的模態耦合的方式改變了聲學性和因此燃燒動態。例如，修改的端蓋構造可導致在燃燒器的聲學響應和因此燃燒器動態頻率上的燃燒器至燃燒器改變(例如，不同、移相、消沖或在更大的頻率范圍上展開、或它們的任何組合的頻率)，因而降低了尤其是在與燃氣渦輪系統的部件的共振頻率匹配的頻率下的燃燒器的模態耦合的可能性。
[0025]由此，燃氣渦輪發動機可采用多種修改的端蓋構造，來改動燃燒器的聲學響應，并因而削減了由燃氣渦輪發動機中的燃燒動態引起的在燃氣渦輪系統部件中的不想要的振動響應。例如，各個燃氣渦輪燃燒器的端蓋的幾何結構可包括一個或更多有角度表面、彎曲表面(例如，凹入表面、凸起表面、不變曲率、或變化曲率)、平坦表面、凹部、突起、多邊形表面(例如，三角形表面、五邊形表面、六邊形表面、或四邊形表面)、階梯狀或Z字形表面、卷繞表面、無規則表面(例如，不一致、不平整、或不對稱、波狀表面、有缺口表面、尖角表面、或鋸齒狀表面)、或它們的任何組合。在某些實施例中，至少一些(例如，2、3、4、5、6、7、8、9或10)或全部燃燒器具有帶有端蓋的不同旋轉位置的共同的端蓋(例如，有角度端蓋)，例如，各個端蓋可繞燃燒器的軸線旋轉至相對其它渦輪燃燒器上的其它端蓋的不同朝向。但是，在一些實施例中，至少一些(例如，2、3、4、5、6、7、8、9或10)或全部渦輪燃燒器具有不同的端蓋，例如，不同的有角度端蓋、不同的彎曲端蓋、和