[发明专利]具有亥姆霍兹共振器的涡轮发动机燃料喷射器

说明书

技术领域

本发明一般地涉及一种燃料喷射器，更具体地涉及一种用于燃气涡轮发动机的、具有亥姆霍兹共振器(Helmholtz resonator)的燃料喷射器。

背景技术

在涡轮发动机的燃烧室内，在某些条件下的燃烧过程中会产生压力或声学振动。该振动处于约二十赫兹到几千赫兹的频率范围内，并会由于燃烧过程中的不稳定性而发生。较低频率的声学振动有时被称为“低频敲击声/颤振”或“嚓嘎声/空爆声”。频率高于约1000赫兹的声学振动通常被称为“尖叫/啸叫”。已经发现尖叫会干扰涡轮发动机的优化运行。尖叫一旦发生就会持续到导致尖叫的能量源消失，或者直到系统变量被改变以将涡轮发动机的运行切换至无尖叫运行范围。然而，改变涡轮发动机的运行特性以消除尖叫可能很困难。由于对各运行特性如何相互作用以产生尖叫的机理知之甚少，所以足够精确地预测系统中的尖叫是极其困难的。因此，通常在燃烧室内设计有益的结构性元件(positive structural means)来衰减高频振动或将其完全抵消。为抑制涡轮发动机的尖叫而设置在燃烧室内的一种结构元件称为亥姆霍兹共振器。

亥姆霍兹共振器基于一种由Hermann von Helmholtz在十九世纪六十年代创造的装置，并依据空腔内的空气共振现象工作。形式最简单的亥姆霍兹共振器由一封闭体积(空腔)构成，该封闭体积包含空气且通过一开口与燃烧室连通。由于燃烧过程而产生的压力波迫使空气进入空腔，从而增大其内部压力。一旦迫使空气进入空腔的外部驱动消失，空腔内的较高的压力便会推动开口附近的一小体积的空气(气塞)返回燃烧室以平衡压力。然而，运动的气塞的惯性将会迫使该气塞以一较小的附加距离进入燃烧室中(超过平衡压力所需的距离)，从而使空腔内的空气稀薄。这时空腔内的低压会将气塞吸回空腔内，从而再次增大空腔内的压力。因此，由于空腔内的空气的弹性，气塞如弹簧上的质量一样振动。该振动的气塞的振幅由于阻尼和摩擦损失而逐步减小。由此，在燃烧室内产生的压力波的能量通过亥姆霍兹共振器内的共振而被耗散。通过将共振器的共振频率与燃烧室外壳的被激励的声学模态相匹配来优化能量耗散。通常，通过改变亥姆霍兹腔和开口的尺寸来实现对亥姆霍兹共振器的频率匹配或“调谐(tuning)”。

通常利用双罩燃烧室/双半球燃烧室(double dome combustionchamber)(燃烧器)的内、外衬套之间的空的空间构成一组亥姆霍兹共振器。在此位置，亥姆霍兹共振器接近燃烧室的产生不稳定性的放热区，因此被适当地定位以便迅速响应于产生的声波。然而，在大多数燃烧室中，还利用衬套之间的空间向燃烧室壁供给冷却空气，而将亥姆霍兹共振器置于该空间内使其成为冷却系统的一部分。然而，在不影响燃烧室的冷却的情况下，作为冷却系统的一部分的亥姆霍兹共振器降低了通过改变空腔和开口的尺寸来调谐亥姆霍兹共振器的能力。该限制削弱了亥姆霍兹共振器在控制尖叫方面的效力。因此期望将亥姆霍兹共振器置于接近放热区的位置，但独立于燃烧室的冷却系统。

于1995年7月11日授予Keller的美国专利NO.5,431,018(‘018专利)中公开了在燃气轮机的燃烧室内的亥姆霍兹共振器的一个实施例。‘018专利的亥姆霍兹共振器设置在供给用于与燃料混合的空气的空气罩(airshroud)的附近。来自空气罩的部分空气通过一入口管被旁通至亥姆霍兹共振器内。亥姆霍兹共振器通过一构造成绕空气罩的环形通道的阻尼管与燃烧室连通。因此，‘018专利公开了一种单个的亥姆霍兹共振器，其由绕各燃料喷射器的空腔形成，并通过绕喷射器的环形开口与燃烧室相连接，同时独立于燃烧室的燃烧室冷却系统。

尽管‘018专利的亥姆霍兹共振器可与燃烧室冷却系统分离，但可能与燃料喷射器的空气流相关联。因此，响应于涡轮发动机的改变的输出要求而对穿过燃料喷射器的空气流进行的改变会影响该共振器的效力。另外，为与涡轮发动机的固有频率相匹配而对‘018专利的共振器进行的调谐可能会涉及到重新设计环形通道和/或燃料喷射器。通常，将亥姆霍兹共振器调谐至适当的频率是一个试错/反复试验的过程，该过程可能包含利用多个共振器的构型(空腔体积、连接空腔与燃烧室的开口尺寸等)的多个试验。因此，在开发系统时能够容易地试验不同的共振器构型是有利的。

本发明的目的在于克服上述缺点中的一个或多个。

发明内容