具有声模稳定的燃气涡轮发动机、控制方法和改装的方法与流程

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具有声模稳定的燃气涡轮发动机、控制方法和改装的方法
1.相关申请的交叉引用本专利申请主张于2021年9月9日提交的欧洲专利申请号21195837.6的优先权，该欧洲专利申请的整个公开内容通过引用并入文中。
技术领域
2.本发明涉及具有声模（或声学模式，acoustic mode）稳定的燃气涡轮发动机、用于控制的方法以及用于改装燃气涡轮发动机的方法。

背景技术：

3.在燃气涡轮发动机的领域中，众所周知的是，在某些操作条件下可出现燃烧不稳定。此类条件可取决于燃气涡轮发动机中复杂结构和流体动力学的响应，并且可根据燃气涡轮的种类和大小而广泛地变化。
4.临界声振动模式是已知的，因为正常地它们在设计和测试步骤期间变得明显。因此，可能的是采取保护性措施，其避免或降低临界声振动模式的影响。然而，包括声阻尼器和控制燃料供给以改变操作条件的已知措施并不完全令人满意。
5.声阻尼器，例如亥姆霍兹阻尼器，占据相对大的空间并且需要机械和流体耦合（或联接）到燃气涡轮发动机的流动路径。此外，声阻尼器的阻尼作用可取决于在其中连接阻尼器的特定位置，并且由于几何或机械约束而可能无法实现最佳的定位。
6.控制对全部或部分喷燃器（burner）的燃料供给常常造成对临界声振动模式的有效保护作用，但燃烧条件的改变可导致污染物排放的不可接受的增加，尤其是一氧化碳。
7.因此，存在普遍地关注改善对燃气涡轮发动机的保护，使其免受在其中可出现危险声振动模式（脉动）的临界操作条件。

技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种燃气涡轮发动机、用于控制的方法和用于改装燃气涡轮发动机的方法，其允许克服或至少部分地减弱所描述的限制。
9.根据本发明，提供有根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机、根据权利要求9所述的用于操作燃气涡轮发动机的方法以及根据权利要求13所述的用于改装燃气涡轮发动机的方法。
10.根据本发明，燃烧器具有以第一时间延迟τ1生成第一火焰的第一喷燃器和以第二时间延迟τ2生成第二火焰的第二喷燃器。第一时间延迟τ1和第二时间延迟τ2之间的差值等于固有（或自然，natural）振动频率的倒数，即：τ
1-τ2=1/f0，其中，τ1是第一时间延迟，τ2是第二时间延迟，以及f0是燃烧器的固有振动频率f0（即燃烧器的共振频率）。
11.当第一时间延迟和第二时间延迟满足上文条件时，通常在操作期间在燃气涡轮的燃烧室中生成的声振动模式（即脉动）被衰减和至少部分地被消除。特别地，通过使用上文公式，衰减和消除发生在固有振动频率f0处，即在其中声振动模式可放大和引起燃气涡轮
发动机损坏的临界频率处。
12.衰减在不使用附加构件例如声阻尼器的情况下实现，这些构件体积庞大并且需要从外部流体耦合到热气路径。此外，总体的燃料供给不会通过对第一喷燃器或对第二喷燃器的节流而变更。
附图说明
13.现在将参照附图描述本发明，这些附图示出本发明的一些非限制性实施例，其中：-图1是燃气涡轮发动机的简化框图；-图2是并入在图1的燃气涡轮发动机中的燃烧器的示意性视图；-图3和图4是根据本发明的第一实施例所制作的图2的燃烧器的第一喷燃器（图3）和第二喷燃器（图4）的示意性视图；-图5和图6是根据本发明的第二实施例所制作的图2的燃烧器的第一喷燃器（图5）和第二喷燃器（图6）的示意性视图；-图7和图8是根据本发明的第三实施例所制作的图2的燃烧器的第一喷燃器（图7）和第二喷燃器（图8）的示意性视图；-图9和图10是根据本发明的第四实施例所制作的图2的燃烧器的第一喷燃器（图9）和第二喷燃器（图10）的示意性视图；-图11和图12是根据本发明的第五实施例所制作的图2的燃烧器的第一喷燃器（图11）和第二喷燃器（图12）的示意性视图。
具体实施方式
14.图1示出整体地以数字1所表示的燃气涡轮发动机的简化视图。燃气涡轮发动机1包括压缩机2、第一燃烧器3、可选地高压涡轮5、第二燃烧器7（也称为顺序燃烧器）以及低压涡轮8。图1的实例并非限制性的，因为本发明也可有利地用于具有不同结构的燃气涡轮发动机，例如具有单一燃烧器或具有两个燃烧器并且在第一燃烧器和第二燃烧器之间没有高压涡轮。除了高压涡轮之外或作为高压涡轮的替代，还可在第一燃烧器和第二燃烧器之间提供稀释器以将稀释空气引入传送通过燃烧器的热气中。两个燃烧器也可直接地耦合，即在中间没有任何构件。
15.燃气涡轮发动机还包括燃料供给系统9和控制器10。
16.燃料供给系统9递送用于第一燃烧器3和第二燃烧器7的操作的燃料流量（flowrate），并且包括耦合到第一燃烧器3的第一供给系统11和耦合到第二燃烧器7的第二供给系统12。第一供给系统11和第二供给系统12二者由控制器10控制。
17.控制器10接收来自系统传感器13的状态信号并且通过致动器操作燃气涡轮以提供受控的功率输出。致动器包括压缩机2的可定向入口导引翼片14以及第一供给系统11和第二供给系统12的阀。
18.由压缩机2所供给的压缩空气流添加有燃料，并且由此获得的空气/燃料混合物在第一燃烧器3中焚烧。第一燃烧器3的排气在高压涡轮5中部分地膨胀；然后在第二燃烧器7中混合并焚烧附加的燃料。排气最后在低压涡轮8中膨胀并且排放到外部或例如排放到热回收蒸汽发生器。由第一供给系统11和第二供给系统12所递送的燃料量由控制器10控制。
19.在下文将参照第一燃烧器3详细地描述本发明。然而，理解的是，本发明也可适用于第二燃烧器7或单一燃烧器燃气涡轮发动机而没有任何实质性改变。
20.第一燃烧器3示意性地示出在图2中，并且包括环绕燃气涡轮发动机1的纵向燃烧器轴线a延伸的环形燃烧室15、多个第一喷燃器17以及多个第二喷燃器18，它们围绕燃烧器轴线a周向地分布在距其有共同的径向距离处。
21.第一喷燃器17和第二喷燃器18可分别地限定第一不对称的喷燃器组和第二不对称的喷燃器组。换言之，尽管第一喷燃器17和第二喷燃器18可整体上对称地分布，但单独的第一喷燃器17和单独的第二喷燃器18也可不是的。此种配置有助于促进消除在燃烧室中传播的振动模式并且抵消它们的放大。
22.第一燃烧器3具有固有振动频率f0。固有振动频率是第一燃烧器的共振频率，使得具有该频率的声振动模式（即脉动）在传播通过第一燃烧器时不衰减，而是被放大。因此，需要阻抑具有固有振动频率的脉动以避免结构损坏和效率损失。
23.第一喷燃器17和第二喷燃器18可全部由控制器10以相同的燃料流量操作。
24.第一喷燃器17配置成用以产生具有第一时间延迟τ1的第一火焰以及第二喷燃器18配置成用以产生具有第二时间延迟τ2的第二火焰，其中，第二时间延迟τ2不同于第一时间延迟τ1。
25.时间延迟是燃料从燃料喷射点输送到火焰前锋所需的特征时间。
26.第一喷燃器17和第二喷燃器18被构造成使得第一时间延迟τ1和第二时间延迟τ2之间的差值等于固有振动频率f0的倒数：τ
1-τ2=1/f0。
27.第一喷燃器17和第二喷燃器18可包括相应的第一级20、21和相应的第二级22、23。第一级20、21可为沿着喷燃器轴线b延伸的先导（pilot）级（例如，布置成用于生成扩散火焰），以及第二级22、23可为围绕相应的第一级20、21延伸的主预混级。
28.第一喷燃器的时间延迟优选地是指第二（主）级22的时间延迟，并且同样地第二喷燃器的时间延迟优选地是指第二（主）级23的时间延迟。无论如何，还可能的是，第一喷燃器17的时间延迟是指第一和第二级20、22的时间延迟的平均值，并且同样地第二喷燃器18的时间延迟是指第一和第二级21、23的时间延迟的平均值；在大量燃料例如10%或更多经由第一（先导）级20、21供应的情况下，此种解决方案可为优选的。
29.在一个实施例中，第一喷燃器17具有第一空气通道25以及第二喷燃器18具有第二空气通道27。第二空气通道27不同于第一空气通道25。空气通道方面的不同决定了不同的空气供给，其继而导致不同的时间延迟。
30.例如，第一喷燃器17可具有带有相应空气入口和在空气入口处的第一入口格栅26的第一空气通道25。第二喷燃器18可同样地具有带有相应空气入口和在空气入口处的第二入口格栅28的第二空气通道27。第一入口格栅26和第二入口格栅28不同于彼此，并且例如它们配置成用以不同地影响入口空气流和引起不同的第一时间延迟τ1和第二时间延迟τ2。使用不同的入口格栅是用以区分空气供给和获得不同时间延迟的简单且便宜但有效的解决方案。
31.作为替代或附加措施，第一喷燃器17可具有旋流器30、31；第二喷燃器18可具有不同于旋流器30、31的旋流器32、33。
32.在另一实施例（未示出）中，空气分离器可布置成用以在第一喷燃器17的第一空气通道25中和第二喷燃器18的第二空气通道27中不同地分给空气流。
33.参照图5和图6，在其中与已经示出的那些实质上相同的部分由相同的数字标识，在另一实施例中，第一喷燃器17在相应的第一级20和第二级22之间具有第一燃料分离比以及第二喷燃器18在相应的第一级21和第二级23之间具有第二燃料分离比，藉此第二燃料分离比不同于第一燃料分离比。
34.例如，第一供给系统11可包括第一喷燃器17的用于第一级20和用于第二级22的独立燃料阀33、35，以及第二喷燃器18的用于第一级21和用于第二级23的另外的独立燃料阀34、36。燃料阀33-36由控制器10控制以分别地向第一喷燃器17的第一级20和向第二级22供给燃料流量f1、f2和分别地向第二喷燃器18的第一级21和向第二级23供给燃料流量f1'、f2'。
35.燃料流量f1、f2和燃料流量f1'、f2'选择成使得第一喷燃器17的第一燃料分离比f1/f2不同于第二喷燃器18的第二燃料分离比f1'/f2'：f1/f2≠f1'/f2'。
36.然而，在一个实施例中，第一喷燃器17和第二喷燃器18中的每一个接收相同的总燃料流量f
t
：f1+f2=f1'+f2'=f
t
。
37.第一和第二喷燃器之间的燃料分离比可用于控制火焰特征（形状、位置）并且因此控制时间延迟，而无需对第一和第二喷燃器的任何结构修改，因为可通过燃气涡轮发动机控制来获得对目标频率的阻尼。
38.在图7和图8中所示的一个实施例中，第一喷燃器17和第二喷燃器18具有相应的不同出口。至于空气入口，也可利用喷燃器出口来区分第一喷燃器17和第二喷燃器18的行为。差异可存在于例如出口的形状、长度和宽度。
39.参照图7和图8，第一喷燃器17提供有相应的第一出口40，其在轴向方向上突出并且由具有第一长度l1和第一宽度w1的圆锥形或大体上收敛或圆柱形区段限定。
40.第二喷燃器18提供有相应的第二出口41，其在轴向方向上突出并且由具有不同于第一长度l1的第二长度l2和/或不同于第一宽度w1的第二宽度w2的圆锥形或大体上收敛或圆柱形区段限定。
41.在未示出的其它实施例中，仅第一喷燃器17或第二喷燃器18提供有突出的出口。
42.第一喷燃器17也可配置成用以引起相应的第一火焰锚定位置以及第二喷燃器18可配置成用以引起相应的第二火焰锚定位置，第二火焰锚定位置沿轴向不同于第一火焰锚定位置。
43.该效果可以简单且成本有效的方式实现，例如通过在第一喷燃器17和第二喷燃器18处使用不同长度的喷喷射器。例如，第一喷燃器17包括具有第一长度l1'的相应的第一喷喷射器43以及第二喷燃器18包括具有第二长度l2'的相应的第一喷喷射器44，其中，第二长度l2'不同于第一长度l1'（图9和图10）。
44.根据图11和图12中所示的本发明的实施例，用以在第一喷燃器17和第二喷燃器18中引起不同的火焰轴向锚固位置和延迟时间的另一方式依赖于具有不同操作的稳定致动器的喷燃器。
45.具体地，喷燃器具有第一火焰稳定器45和第二火焰稳定器46，第一火焰稳定器45配置成用以触发第一火焰配置和使喷燃器作为第一喷燃器17操作，第二火焰稳定器46配置成用以触发第二火焰配置和使喷燃器作为第二喷燃器18操作。第一火焰稳定器45和第二火焰稳定器46可例如是火花塞或等离子发生器。第一火焰稳定器45和第二火焰稳定器46由控制器10控制。
46.本发明还提及用于操作燃气涡轮发动机的方法。
47.根据该方法，燃气涡轮发动机燃烧器的第一喷燃器17操作成用以产生具有第一时间延迟τ1的第一火焰以及燃气涡轮燃烧器的第二喷燃器18操作成用以产生具有第二时间延迟τ2的第二火焰。
48.第一时间延迟τ1和第二时间延迟τ2之间的差值等于固有振动频率f0的倒数：τ
1-τ2=1/f0其中，τ1是第一时间延迟，τ2是第二时间延迟，以及f0是固有振动频率。
49.在第一实例中，第一火焰具有第一火焰形状以及第二火焰具有不同于第一火焰形状的第二火焰形状。
50.在另一实例中，第一火焰设定在距相应的第一喷燃器组件17的第一距离d1处以及第二火焰设定在距相应的第二喷燃器组件18的第二距离d2处，第二距离d2不同于第一距离d1。
51.在又一实例中，第一喷燃器17在其第一级20和第二级22之间具有第一燃料分离比f1/f2以及第二喷燃器18在其第一级21和第二级23之间具有第二燃料分离比f1'/f2'，第二燃料分离比f1'/f2'不同于第一燃料分离比f1/f2。
52.上文举例的解决方案也可组合在一起。
53.燃气涡轮发动机也可改装成用以实现抑制如上文所述的固有振动频率。燃气涡轮发动机包括具有固有振动频率f0的燃烧器。燃烧器3、7包括多个第一喷燃器17。第一喷燃器配置成用以产生具有第一时间延迟τ1的火焰。
54.改装方法包括以改进的构件替换第一喷燃器17中的至少一个的一个或多个构件以获得第二喷燃器18。第二喷燃器18配置成用以产生具有第二时间延迟τ2的火焰。第二时间延迟τ2不同于第一时间延迟τ1。
55.第一（固有的）时间延迟τ1和第二（改进的）时间延迟τ2之间的差值等于固有振动频率f0的倒数，如上文所阐释。
56.替换构件可为以下中的至少一项；入口格栅（26、28）；旋流器（30、31、32、33）；空气分离器；出口（40、41）；喷喷射器（43、44）；稳定致动器（45、46）；等等。
57.控制器10包含配置成用以控制燃气涡轮发动机1的操作的计算机程序。如文中所理解的那样，用以实现抑制固有振动频率的构件替换还可包括替换控制器10或以改进的计算机程序替换在控制器10中加载的计算机程序或将代码部分替换或添加到计算机程序。
58.例如，控制第一喷燃器17中的一个或多个的第一级20和第二级22的燃料分离比f1/f2的固有的计算机程序可用控制燃料分离比f1'/f2'的改进计算机程序来替换。
59.最后，显然的是，所描述的燃气涡轮发动机和方法可经受修改和变化，而不背离如在所附权利要求中所限定的本发明的范围。
60.例如，理解的是，本发明也适用于具有单一燃烧器的燃气涡轮。

技术特征：

1.一种燃气涡轮发动机，包括具有固有振动频率（f0）的燃烧器（3；7）；其中：所述燃烧器（3；7）包括多个第一喷燃器（17）和多个第二喷燃器（18）；所述第一喷燃器（17）配置成用以产生具有第一时间延迟（τ1）的第一火焰，以及所述第二喷燃器（18）配置成用以产生具有第二时间延迟（τ2）的第二火焰；以及所述第一时间延迟（τ1）和所述第二时间延迟（τ2）之间的差值等于所述固有振动频率（f0）的倒数：τ
1-τ2=1/f0其中，τ1是所述第一时间延迟，τ2是所述第二时间延迟，以及f0是所述燃烧器的固有振动频率。2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述第一喷燃器（17）具有第一空气通道（25）以及所述第二喷燃器（18）具有第二空气通道（27），所述第二空气通道（27）不同于所述第一空气通道（25）。3.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机，其中：所述第一空气通道（25）包括空气入口和在所述空气入口处的第一入口格栅（26），以及其中，所述第二空气通道（27）包括空气入口和在所述空气入口处的第二入口格栅（28），所述第二入口格栅（28）不同于所述第一入口格栅（26），和/或所述第一喷燃器（17）具有第一旋流器（30、31），以及所述第二喷燃器（18）具有不同于所述第一旋流器（30、31）的第二旋流器（32、33），和/或空气分离器提供成用于在所述第一喷燃器（17）的第一空气通道（25）和所述第二喷燃器（18）的第二空气通道（27）之间分给所述空气流，其中，所述空气分离器配置成用于在所述第一喷燃器（17）的第一空气通道（25）和所述第二喷燃器（18）的第二空气通道（27）之间不同地分给空气流。4.根据前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述燃气涡轮发动机包括：燃料供给系统（11），所述燃料供给系统耦合到所述第一喷燃器（17）和耦合到所述第二喷燃器（18），其中，所述第一喷燃器（17）和所述第二喷燃器（18）具有至少第一级（20、21）和第二级（22、23），以及控制系统（10），所述控制系统配置成用以控制对所述第一级（20、21）和对所述第二级（22、23）的燃料供给，以在所述第一喷燃器（17）的第一级（20）和第二级（20）之间提供第一燃料分离比（f1/f2）和在所述第二喷燃器（18）的第一级（21）和第二级（23）之间提供第二燃料分离比（f1'/f2'），其中，所述第一燃料分离比（f1/f2）不同于第二燃料分离比（f1'/f2'）。5.根据前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮发动机，其中，所述第一喷燃器（17）具有相应的第一出口（40）以及所述第二喷燃器（18）具有相应的第二出口（41），所述第二出口（41）不同于所述第一出口（40）。6.根据前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮发动机，其中，所述第一喷燃器（17）配置成用以引起相应的第一火焰锚定轴向位置以及所述第二喷燃器（18）配置成用以引起相应的第二火焰锚定轴向位置，所述第二火焰锚定轴向位置不同于所述第一火焰锚定轴向位
置。7.根据前述权利要求所述的燃气涡轮发动机，其中：所述第一喷燃器（17）包括具有第一长度（l1'）的相应的第一喷喷射器（43）以及所述第二喷燃器（18）包括具有第二长度（l2'）的相应的第一喷喷射器（44），其中，所述第二长度（l2'）不同于所述第一长度（l1'），和/或所述第一喷燃器（17）和所述第二喷燃器（18）包括第一火焰稳定器（45）和第二火焰稳定器（46），所述第一火焰稳定器（45）配置成用以触发具有所述第一火焰锚定轴向位置的第一火焰，所述第二火焰稳定器（46）配置成用以触发具有所述第二火焰锚固轴向位置的第二火焰；其中，所述第一火焰稳定器（45）和所述第二火焰稳定器（46）被控制成使得全部所述第一喷燃器（17）具有第一火焰配置和全部所述第二喷燃器（18）具有第二火焰配置。8.根据前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮发动机，其中：所述燃烧器（3；7）包括围绕燃烧器轴线（a）延伸的环形燃烧室（15）；所述第一喷燃器（17）和所述第二喷燃器（18）围绕所述燃烧器轴线（a）周向地布置；所述第一喷燃器（17）和所述第二喷燃器（18）分别地限定第一不对称喷燃器组和第二不对称喷燃器组。9.一种用于操作燃气涡轮发动机的方法，所述燃气涡轮发动机包括具有固有振动频率（f0）的燃烧器（3；7），其中：所述燃烧器（3；7）包括多个第一喷燃器（17）和多个第二喷燃器（18）；所述第一喷燃器（17）操作成用以产生具有第一时间延迟（τ1）的第一火焰以及所述第二喷燃器（18）操作成用以产生具有第二时间延迟（τ2）的第二火焰；其中，所述第一时间延迟（τ1）和所述第二时间延迟（τ2）之间的差值等于所述固有振动频率（f0）的倒数：τ
1-τ2=1/f0其中，τ1是所述第一时间延迟，τ2是所述第二时间延迟，以及f0是所述燃烧器的固有振动频率。10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一火焰具有第一火焰形状以及所述第二火焰具有不同于所述第一火焰形状的第二火焰形状。11.根据权利要求9-10中任一项所述的燃气涡轮发动机，其中，所述第一火焰设定在距相应的第一喷燃器组件（17）的第一距离（d1）处以及所述第二火焰设定在距相应的第二喷燃器组件（18）的第二距离（d2）处，所述第二距离（d2）不同于所述第一距离（d1）。12.根据权利要求9-11中任一项所述的燃气涡轮发动机，其中，所述第一喷燃器（17）在其第一级（20）和第二级（22）之间具有第一燃料分离比（f1/f2）以及所述第二喷燃器（18）在其第一级（21）和第二级（23）之间具有第二燃料分离比（f1'/f2'），所述第二燃料分离比（f1'/f2'）不同于所述第一燃料分离比（f1/f2）。13.一种改装燃气涡轮发动机的方法，所述燃气涡轮发动机包括具有固有振动频率（f0）的燃烧器（3；7），其中：所述燃烧器（3；7）包括配置成用以产生具有时间延迟（τ1）的火焰的多个第一喷燃器（17），
所述方法包括：以改进的构件（26、28；30、31；10；40、41；43、44）替换所述第一喷燃器（17）中的至少一个的构件（26、28；30、31；10；40、41；43、44）以获得第二喷燃器（18），籍此所述至少一个第二喷燃器（18）配置成用以产生具有不同于所述第一时间延迟（τ1）的第二时间延迟（τ2）的火焰；以及选择所述改进的构件（26、28；30、31；10；40、41；43、44），使得所述第一时间延迟（τ1）和所述第二时间延迟（τ2）之间的差值等于所述固有振动频率（f0）的倒数：τ
1-τ2=1/f0其中，τ1是所述第一时间延迟，τ2是所述第二时间延迟，以及f0是所述燃烧器的固有振动频率。14.根据权利要求13所述的方法，其中，替换所述构件（26、28；30、31；40、41；43、44）包括替换以下中的至少一项：入口格栅（26、28）、旋流器（30、31、32、33）、空气分离器；出口（40、41）、喷喷射器（43、44）、稳定致动器。15.根据权利要求13或14所述的方法，其中，所述燃气涡轮发动机（1）包括具有计算机程序的控制器（10），所述计算机程序被配置成用以控制所述燃气涡轮发动机（1）的操作，以及其中，替换所述构件（10）包括以改进的计算机程序替换在所述控制器（10）中加载的计算机程序或者将代码部分替换或添加到所述计算机程序。

技术总结

本发明涉及具有声模稳定的燃气涡轮发动机、控制方法和改装的方法。具体地，一种燃气涡轮发动机包括燃烧器（3），其具有固有振动频率（f0）并且提供有多个第一喷燃器（17）和多个第二喷燃器（18）。第一喷燃器（17）配置成用以产生具有第一时间延迟（τ1）的第一火焰以及第二喷燃器（18）配置成用以产生具有第二时间延迟（τ2）的第二火焰。第一时间延迟（τ1）和第二时间延迟（τ2）之间的差值等于固有振动频率（f0）的倒数：τ