用於在燃氣渦輪發動機中使用的消聲裝置的製作方法

2023-05-14 21:58:01

專利名稱：用於在燃氣渦輪發動機中使用的消聲裝置的製作方法
技術領域：
本申請大體而言涉及燃燒器，且更特定而言涉及在燃氣渦輪發動機的燃燒器的燃燒襯套中的消聲器(acoustic dampener)。
背景技術：
世界範圍內對於空氣汙染的關注已經導致國內和國際上更嚴格的排放標準。來自エ業航空發動機的汙染物排放要受環境保護署(EPA)標準控制，環境保護署(EPA)標準調控氮氧化物(NOx)、未燃烴(HC)和一氧化碳(CO)的排放。一般而言，發動機排放物屬於兩·類由於高火焰溫度而形成的那些(NOx)，和由於不允許燃料-空氣反應進行到完成的低火焰溫度而形成的那些(HC & CO)。更嚴格的排放法規導致利用貧燃預混合燃燒的燃氣渦輪燃燒系統。由於較低的火焰溫度，貧焰顯著地降低了 NOx排放，但對於燃燒聲音(acoustics)卻更為敏感，這可限制可操作性和性能，影響汙染物排放並減小燃燒器構件的使用壽命。通常，做出更多的努力來優化燃燒器設計以滿足排放和可操作性要求。至少ー些已知的燃氣渦輪燃燒器包括多個混合器，混合器混合高速空氣與諸如柴油燃料的液態燃料或者諸如天然氣的氣態燃料，以提高火焰穩定和混合。至少ー些已知的混合器包括位於用於使進來的空氣旋流的旋流器的中心處的單個燃料噴射器。燃料噴射器和混合器都位於燃燒器拱形件上。燃燒器包括混合器組件和熱屏蔽件，熱屏蔽件便於保護拱形件組件。熱屏蔽件和燃燒器襯套由衝擊拱形件的空氣冷卻以便於將熱屏蔽件的操作溫度維持在預定限制內。在操作期間，從引燃混合器排出的混合物流的膨脹可繞熱屏蔽件生成環形旋渦。未燃的燃料可對流到這些不穩定的旋渦內。在與燃燒氣體混合之後，燃料-空氣混合物點燃，並且隨後的放熱可以是非常突然的。在許多已知的燃燒器中，在熱屏蔽件周圍的熱氣體便於穩定由於點燃而形成的火焰。但是，由於快速放熱導致的壓カ脈衝可影響到隨後的旋渦的形成，且導致對燃燒器構件的重複的應力疲勞。隨後的旋渦可導致在燃燒器內的壓カ振蕩超過可接受的限制，且導致對燃燒器構件的重複的應力疲勞。在燃氣渦輪發動機中的燃燒聲音可在一定範圍的頻率中發生。典型頻率小於1000Hz0但是，在某些條件下，對在1000 5000 Hz範圍的頻率的高聲振幅也是可能的。這些高頻聲模式可能會由於高周疲勞而導致燃燒器硬體的快速失效。在先進燃氣渦輪燃燒器中為了最小化NOx排放的能量釋放密度増加和反應物的快速混合提高了高頻聲音的可能性。

發明內容
在一方面，提供了一種消聲器。消聲器包括第一腔和第二腔。第一腔具有孔用於允許在第一腔與第一流體源之間的流體連通。第二腔具有第一孔用於允許在第一腔與第二腔之間的流體連通。第二腔具有第二孔用於允許在第二腔與第二流體源之間的流體連通。在另一方面，提供了ー種燃氣渦輪發動機。該燃氣渦輪發動機包括燃燒器和消聲器。消聲器包括第一腔和第二腔。第一腔具有孔用於允許在第一腔與第一流體源之間的流體連通。第二腔具有第一孔用於允許在第一腔與第二腔之間的流體連通。第二腔具有第二孔用於允許在第二腔與第二流體源之間的流體連通。在額外方面，提供一種製造用於燃氣渦輪發動機的消聲器的方法。第一壁和柱形主體壁形成於燃氣渦輪發動機的燃燒室襯套中。孔ロ板附接於柱形主體壁所限定的柱形內。第二壁與第一壁對立附接於柱形主體壁上。


圖I為包括燃燒器的燃氣渦輪發動機的示意圖。 圖2為可用於圖I中所示的燃氣渦輪發動機的燃燒器的截面圖。圖3為在圖2中所示的消聲器的側剖面視圖。圖4為示出現有技術中已知的消聲器的聲音吸收係數的曲線圖。圖5為示出如本文中所述的消聲器的吸收係數的曲線圖。部件列表
10燃氣渦輪發動機
12低壓壓縮器
14高壓壓縮器
16燃燒器
18高壓渦輪
20低壓渦輪
29前緣
30燃燒室
31後緣
32外襯套
33後緣
34內襯套
35徑向外表面
36徑向內表面
37拱形板
38內混合器組件
39外混合器組件
40內引燃混合器
41主混合器
42中心主體
43外引燃混合器
44主混合器
45環形中心主體
47徑向外表面
48徑向內表面49後緣
51環形燃燒器殼體
52對稱軸線
53對稱軸線
54引燃中心主體
55引燃中心主體
56前緣
60旋流器
61旋流器
62引燃內旋流器
63後緣
64引燃外旋流器
65引燃內旋流器 67外旋流器
74預混合器腔
76外喉部(throat)表面
77外喉部表面
78預混合器腔
110熱屏蔽件
111熱屏蔽件 114表面
120再循環區
300消聲器
302第一壁
304孔ロ板
306第二壁
308第一腔
310第二腔
312第一壁中的孔
314孔ロ板中的孔
316柱形主體壁中的孔
320柱形主體壁。
具體實施例方式消聲器減弱在乾式低排放(DLE)燃燒器中的高頻聲音。消聲器包括放置於消聲器內的孔ロ板，從而添加了額外控制度以優化消聲器性能。通過謹慎地選擇孔ロ板參數(即，孔ロ板厚度、孔ロ板表面積和孔ロ板中的孔的直徑和數量)和在孔ロ板插件的兩側的腔的尺寸(即，體積、直徑和高度)，作業者可得到相比於單個腔室諧振器遠遠更高且更寬的吸收的更健壯的消聲器。
圖I為燃氣渦輪發動機10的示意圖，燃氣渦輪發動機10包括低壓壓縮器12、高壓壓縮器14和燃燒器16。發動機10還包括高壓渦輪18和低壓渦輪20。在操作中，空氣流過低壓壓縮器12且壓縮空氣從低壓壓縮器12供應到高壓壓縮器14。高度壓縮的空氣輸送到燃燒器16。自燃燒器16的空氣流(在圖I中未圖示)驅動渦輪18和20。在一個實施例中，燃氣渦輪發動機10為CFM發動機。在另ー個實施例中，燃氣渦輪發動機10為可自俄亥俄州辛辛那提的通用電氣公司購得的LMS100 DLE發動機。圖2為圖I所示的燃燒器16的截面視圖。燃燒器16包括由環形徑向外襯套32和環形徑向內襯套34限定的燃燒區或燃燒室30。更具體而言，外襯套32限定燃燒室30的外邊界，且內襯套34限定燃燒室30的內邊界。襯套32和34在環形燃燒器殼體51的徑向內部，環形燃燒器殼體51在襯套32和34周圍周向地延伸。燃燒器16還包括拱形板37。拱形板37安裝於燃燒室30的上遊，使得拱形板37
限定燃燒室30的上遊端。至少兩個混合器組件38、39從拱形板37延伸以將燃料與空氣的混合物輸送到燃燒室30。燃燒器16包括徑向內混合器組件38和徑向外混合器組件39。燃燒器16已知為雙環形燃燒器(DAC)。備選地，燃燒器16可為單環形燃燒器(SAC)或三環形燃燒器(TAC)。一般而言，各混合器組件38、39包括引燃混合器、主混合器和在它們之間延伸的環形中心主體。內混合器組件38包括引燃混合器40、具有後緣31的主混合器41和在主混合器41與引燃混合器40之間延伸的內環形中心主體42。類似地，混合器組件39包括引燃混合器43、具有後緣49的主混合器44和在主混合器44與引燃混合器43之間延伸的環形中心主體45。環形中心主體42包括徑向外表面35、徑向內表面36、前緣29和後緣33。表面35限定用於內引燃混合器40的流動路徑，且表面36限定用於主混合器41的流動路徑。引燃中心主體54相對於對稱軸線52在引燃混合器40內大致居中。類似地，環形中心主體45包括徑向外表面47、徑向內表面48、前緣56和後緣63。表面47限定用於外引燃混合器43的流動路徑，且表面48限定用於主混合器44的流動路徑。引燃中心主體55相對於對稱軸線53在引燃混合器43內大致居中。內混合器38還包括成對的同心安裝的旋流器60。內旋流器62為環形且周向安置於引燃中心主體54的周圍，且外旋流器64周向安置於引燃內旋流器62與中心主體42的徑向內表面35之間。主混合器41包括外喉部表面76，外喉部表面76與中心主體徑向外表面36組合，限定環形預混合器腔74。中心主體42延伸到燃燒室30內。主混合器41相對於引燃混合器40同心對準且在混合器38的周圍周向延伸。類似地，外混合器39也包括成對的同心安裝的旋流器61。內旋流器65為環形且周向安置於引燃中心主體55的周圍，且外旋流器67周向安置於引燃內旋流器65與中心主體45的徑向內表面47之間。主混合器44包括外喉部表面77，外喉部表面77與中心主體徑向外表面48組合，限定環形預混合器腔78。在混合器43內的徑向外表面77弓形地形成且限定用於主混合器43的外流動路徑。主混合器44相對於引燃混合器43同心地對準且在混合器39的周圍周向延伸。
在一個實施例中，燃燒器16還包括外熱屏蔽件110和內熱屏蔽件111。熱屏蔽件110和111可移除地聯接於拱形板37的下遊，使得從預混合器腔74和78排出的流體向下遊且沿著熱屏蔽件110和111的表面114徑向向內引導。在組裝期間，熱屏蔽件110和111在燃燒器16內分別聯接到內襯套32和34，使得混合器組件38在內熱屏蔽件111內大致居中，且混合器組件39在外熱屏蔽件110內大致居中。熱屏蔽件110大致周向定位於至少ー個混合器組件39的周圍，且熱屏蔽件111大致周向定位於至少ー個混合器組件38的周圍。在操作期間，引燃內旋流器62和65、引燃外旋流器64和67以及主旋流器41和44被設計為有效地混合燃料與空氣。引燃內旋流 器62和65、引燃外旋流器64和67以及主旋流器41和44賦予燃料-空氣混合物角動量，從而形成在各混合器組件38和39下遊的再循環區120。在燃料-空氣混合物從各混合器組件38和39流動之後，混合物點燃井形成火焰峰，火焰峰由再循環區120穩定。在再循環區120的局部氣體速度約等於湍流焰速度。熱屏蔽件110和111延伸到燃燒室30內，使得未燃的燃料-空氣混合物鄰近熱屏蔽件110和111。照此，鄰近熱屏蔽件110和111的氣體溫度約等於壓縮器排出溫度而不是絕熱的火焰溫度。此外，由於熱屏蔽件110和111弓形地延伸到燃燒室30內，熱屏蔽件110和111便於減小燃燒器體積的一部分，燃燒器體積通常被填充有未燃反應物與熱燃燒產物的再循環混合物。燃燒室襯套32包括消聲器300。 圖3示出了消聲器300的側剖面視圖。在一個實施例中，消聲器300包括與燃燒室襯套32 —體的柱形外壁320。消聲器300的第一壁302包括多個孔312，各孔312具有相同的直徑。在圖3所示的實施例中，第一壁302與燃燒室襯套32是一體的。孔ロ板304位於由柱形外壁320限定的體積內。孔ロ板304包括多個孔314，各孔314具有相同的直徑。孔ロ板304、第一壁302和柱形主體320限定第一腔308。在第一壁312中的孔允許在第一流體源(例如，在燃燒器30中的氣體)與第一腔308之間的流體連通。第二壁306定位成與第一壁302對立且附接到柱形主體壁320上。第二壁306、柱形主體壁320和孔ロ板304限定第二腔310。在孔ロ板304中的孔314允許在第一腔308與第二腔310之間的流體連通。在一個實施例中，允許在第二腔310與第二流體源(例如，進氣或冷卻空氣)之間的流體連通的孔316在柱形主體壁320中。在權利要求的範圍內還設想允許在第二腔與第二流體源之間的流體連通的孔316可在第二壁306中。允許在第二腔310與第二流體源之間的流體連通的多個孔316各具有相同的直徑。在一個實施例中，通過以下步驟來構造消聲器300 :在燃燒室襯套32中形成第一壁302和柱形主體壁320 ;將孔ロ板304附接於柱形內由柱形主體壁320限定的預定深度處；以及使第二壁306與第一壁302對立附接於柱形主體壁320的端部。在另ー實施例中，第一壁302、柱形主體壁320的一部分和孔ロ板304全都與燃燒室襯套32 —體地形成，並且選定車輛(vehicle)主體壁320的另一部分與第二壁306 —體地形成且附接到孔ロ板304或柱形主體壁320。孔316充當計量孔ロ，其控制通過消聲器300的偏流量。在孔ロ板304中的孔314和在第一壁302中的孔312允許偏流擴散到熱燃燒室30內並且還允許起源於燃燒室30中的聲波被傳送進或傳送出消聲器300。選擇第一腔308和第二腔310中的每ー個的體積和在第一壁302、孔ロ板304和第二壁306中的孔的大小和數量，使得在期望頻率範圍的聲波在消聲器300中被吸收。用於燃燒室30的消聲器300的位置和數量應基於燃燒室30的聲模型分析地或經驗地確定，其中應理解在消聲器300的數量與到燃燒室內的偏流量之間存在權衡。在一個實施例中，2個消聲器用於各24°燃燒器扇區。在期望頻率範圍的燃燒聲音的減輕通過由腔體積吸收聲波和由瀉流孔使在期望頻率的旋渦脫落且因此將聲能轉換為旋渦能來實現。在用於LMS100 DLE2發動機的一個實施例中，第一壁302具有15個直徑各為0. 14英寸的孔；孔ロ板304具有16個直徑各為0. 075英寸的孔；柱形主體壁320具有5個直徑各為0. 08英寸的孔；第一腔308為I. 173立方英寸；且第二腔310為I. 224立方英寸。在期望頻率範圍中的聲波在很大程度上被衰減或完全消除。當來自壓カ/放熱耦合的驅動カ超過系統衰減能力時,燃燒聲音的振幅増加。消聲器300能通過添加充分的系統衰減來克服驅動カ以消除燃燒聲音。本文中所公開的消聲器300適合於高頻(KHz範圍)聲減弱，因為腔體積與目標頻率成反比，使得目標頻率越高，所期望的裝置體積就越小。這易於在緊湊全環形燃燒器中的實施。
參看圖4和圖5，消聲器300在全環形燃燒器中的效果相對於單個腔室亥姆霍茲諧振器在全環形燃燒器中的效果示出。圖4描繪了在從0-5500HZ、單個腔室亥姆霍茲諧振器在全環形燃燒器中的吸收係數。該曲線類似於以大約2750 Hz為中心的單個鐘形曲線。圖5描繪了從0 - 5500 Hz、消聲器300在全環形燃燒器中的吸收係數。該曲線類似於成對的疊加的鐘形曲線，其具有不同的中心頻率(即，2500 Hz和4750 Hz)，但是，峰值吸收係數已增加且在2個峰值之間的頻率並不顯著降低。此外，在圖5中的吸收係數跨較寬的頻率範圍保持相對較高，使得在曲線下方的面積大於使用具有不同目標頻率的多個亥姆霍茲諧振器可實現的面積。雖然關於各種具體實施例描述了本發明，但本領域技術人員將認識到在權利要求的精神和範圍內在實踐本發明時可做出修改。
權利要求
1.一種消聲器(300),包括 第一腔(308)，其具有孔(312)用於允許在所述第一腔(308)與第一流體源之間的流體連通；以及 第二腔(310)，其具有 第一孔(314)，其用於允許在所述第一腔(308)與所述第二腔(310)之間的流體連通；以及 第二孔(316)，其用於允許在所述第二腔(310)與第二流體源之間的流體連通。
2.根據權利要求I所述的消聲器(300)，其特徵在於，還包括 第一壁(302)，其用於分隔第一流體源與第二流體源，所述第一壁(302)具有孔(312)，用於允許在所述第一流體源與所述消聲器(300)的第一腔(308)之間的流體連通； 孔口板(304)，其用於分隔所述消聲器(300)的第一腔(308)與所述消聲器(300)的第二腔(310)，所述第二壁(306)具有孔(316)，用於允許在所述消聲器(300)的第一腔(308)與所述消聲器(300)的第二腔(310)之間的流體連通；以及 第二壁(306)，其用於分隔所述消聲器(300)的第二腔(310)與所述第二流體源，所述第二壁(306)具有孔(316)，用於允許在所述消聲器(300)的第二腔(310)與所述第二流體源之間的流體連通。
3.根據權利要求2所述的消聲器(300)，其特徵在於， 所述第一壁(302)具有多個孔(312)，用於允許在所述第一流體源與所述消聲器(300)的第一腔(308)之間的流體連通，所述多個孔(312)中的每一個具有相同的尺寸； 所述孔口板(304)具有多個孔(314)，用於允許在所述消聲器(300)的第一腔(308)與所述消聲器(300)的第二腔(310)之間的流體連通，所述多個孔(314)中的每一個具有相同的尺寸；以及 所述第二壁(306)具有多個孔(316)，用於允許在所述第二腔(310)與第二流體源之間的流體連通，所述多個孔(316)中的每一個具有相同的尺寸。
4.根據權利要求2所述的消聲器(300)，其特徵在於，在所述第一壁(302)中的一些孔、在所述第二壁(306)中的一些孔和在所述孔口板(304)中的一些孔中的每一個是不同的。
5.根據權利要求2所述的消聲器(300)，其特徵在於，在所述第一壁(302)、所述孔口板(304)和所述第二壁(306)中的孔的數量和尺寸；所述消聲器(300)的第一腔(308)的體積；以及所述消聲器(300)的第二腔(310)的體積被選擇以形成旋渦，用於衰減在所述第一流體源中生成的聲波。
6.根據權利要求I所述的消聲器(300)，其特徵在於，所述第一流體源為燃氣渦輪發動機(10)的燃燒室(30)，並且所述消聲器(300)的第一壁(302)與所述燃氣渦輪發動機(10)的燃燒室襯套(32)為一體。
7.根據權利要求I所述的消聲器(300)，其特徵在於，所述第二流體源為燃氣渦輪發動機的進氣或冷卻空氣。
全文摘要
本發明涉及用於在燃氣渦輪發動機中使用的消聲裝置。消聲器包括第一壁、孔口板和第二壁。第一壁分隔第一流體源與第二流體源。第一壁具有孔，用於允許在第一流體源與消聲器的第一腔之間的流體連通。孔口板分隔消聲器的第一腔與消聲器的第二腔。第二壁具有孔以允許在消聲器的第一腔與消聲器的第二腔之間的流體連通。第二壁分隔消聲器的第二腔與第二流體源。第二壁具有孔以允許在消聲器的第二腔與第二流體源之間的流體連通。在一個實施例中，消聲器形成於燃氣渦輪發動機的燃燒室襯套中。
文檔編號G10K11/16GK102956228SQ20121028377
公開日2013年3月6日 申請日期2012年8月10日 優先權日2011年8月10日
發明者S.王, M.A.米勒, 韓飛 申請人:通用電氣公司