JP2005527761A - ガスタービン装置の燃焼室脈動を低減する減衰装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、二重壁状に形成された燃焼室壁（２）が備えられ、この燃焼室壁の外側の壁面部分（２２）と、燃焼室（１）寄りの内側の壁面部分（２１）とが中間室（３）を気密に取り囲み、燃焼室壁（２）を対流冷却するために冷却空気を中間室に供給することができる、燃焼室（１）内の共鳴振動を低減するための減衰装置に関する。本発明は、少なくとも１つの第３の壁面部分（４）が設けられ、この第３の壁面部分が外側の壁面部分（２２）と共に気密な室（５）を取り囲んでいることと、気密な室（５）が少なくとも１つの接続管路（６）を介して燃焼室（１）に気密に接続されていることを特徴とする。

Description

本発明は、二重壁状に形成された燃焼室壁が備えられ、この燃焼室壁の外側の壁面部分と、燃焼室寄りの内側の壁面部分とが中間室を気密に取り囲み、燃焼室壁を対流冷却するために冷却空気を中間室に供給することができる、燃焼室内の共鳴振動を低減するための減衰装置に関する。

二重壁状に形成された上記の燃焼室壁を有する燃焼室は例えば特許文献１によって知られている。燃焼領域を取り囲む、二重壁状に形成された燃焼室壁は、その間に中間室を備え、この中間室には、冷却のために圧縮された燃焼空気が供給される。この場合、二重壁状に形成された燃焼室壁は対流冷却法で冷却される。このような燃焼室の形状に関する詳細は上記の特許文献１から明らかである。この特許文献１の開示内容がここで参照される。

このように形成された燃焼室は特にガスタービンを運転するために役立つ。しかし、この燃焼室は一般的に、例えばボイラの燃焼装置のような熱を発生する装置でも使用される。

この燃焼室内では、所定の運転条件の下で、熱音響振動の形態の騒音が発生する。この騒音は２０〜４００Ｈｚの周波数範囲において際立った共鳴現象を示す。燃焼室脈動として知られているこのような振動は、振幅と、それに伴う圧力変動を増大させる。それによって、燃焼室は強い機械的負荷にさらされる。この機械的負荷は燃焼室の寿命を低下させ、最悪の場合には燃焼室を破壊することになる。

このような燃焼室脈動の発生が多数の限界条件に左右されるので、このような脈動の発生を完全に予測することは困難であるかまたは不可能である。燃焼室の運転中、過大共鳴振動の場合に、例えば大きな脈動振幅が発生する燃焼室の動作点を意識的に回避することにより、適当に対応せざるを得ない。しかし、このような手段は常に実現できるとは限らない。例えば、ガスタービン装置の運転開始時に、ガスタービンにとって最適な通常運転範囲に到達できるようにするために、所定の多数の運転状態を達成しなければならない。

他方では、このような燃焼室共鳴脈動を適切に減衰するための装置技術的な手段が知られている。この場合例えば、ヘルムホルツ減衰器またはλ／４管のような適当な音響的減衰要素が使用される。このような音響的減衰要素は通常、瓶の首部と、この瓶の首部に接続された大きな容積の室とからなっている。この室はその都度、減衰すべき周波数に適合させられている。特に低い周波数を減衰する際に、大きな減衰容積の室を必要とする。この減衰容積の室は構造的な観点から、すべての燃焼室に統合することが不可能である。

更に、燃焼室脈動を適切に減衰するために、能動的な手段が知られている。この手段によって例えば、共鳴圧力変動を適切に抑制するためまたは無くすために、アンチ音場が燃焼室に形成される。

燃焼室内で発生する燃焼室脈動を適切に減衰するための上記のすべての手段は、個々の燃焼室の実情に個別的に適合させられ、他の種類の燃焼室には容易に転用することができない。

二重壁状に形成された燃焼室壁内で対流冷却を行う上記の燃焼室は、有害物質の少ない燃焼の観点から最適化されている。更に、このような燃焼室によって、空気の割合を比較的に大きくすることにより、非常に希薄な燃焼を達成することができる。
欧州特許第０６６９５００号公報

上記種類の燃焼室内で発生する燃焼室脈動を効果的に減衰することができると共に、燃焼のために最適化された燃焼室の特性に不利な影響を与えることがない、減衰手段を提供することが必要である。特に、上記種類の燃焼室系内に省スペース的に取付けることができるようにするために、構造的にできるだけ小さく形成される減衰手段を提供することが必要である。これは特に、スペースの狭い系に燃焼室を設けることを可能にする。

本発明の根底をなす課題の解決策は請求項１に記載されている。本発明の対象を有利に実施する特徴は従属請求項の対象であり、図に基づく説明から明らかである。

本発明では、二重壁状に形成された燃焼室壁が備えられ、この燃焼室壁の外側の壁面部分と、燃焼室寄りの内側の壁面部分とが中間室を気密に取り囲み、燃焼室壁を対流冷却するために冷却空気を中間室に供給することができる、燃焼室内の共鳴振動を低減するための減衰装置において、少なくとも１つの第３の壁面部分が設けられ、この第３の壁面部分が外側の壁面部分と共に気密な室を取り囲んでいることと、気密な室が少なくとも１つの接続管路を介して燃焼室に気密に接続されていることを特徴とする。

第３の壁面部分は、二重壁状に形成された燃焼室壁を、少なくとも局部的にまたは部分的に三重壁状の壁構造にする。この場合、二重壁状の燃焼室壁の外側の壁面部分と第３の壁面部分とによって気密に取り囲まれた室は、共鳴室または吸収室としての働きをする。すなわち、共鳴室または吸収室（以下、吸収室と呼ぶ）と燃焼室との間の、接続小管として形成された接続管路を介して、吸収室が燃焼室に音響的に効果的に接続される。従って、燃焼室内で発生する所定の周波数の燃焼室脈動を効果的に減衰することができる。接続小管のために、所定の形状および大きさを選択する必要がある。この接続小管は所望な周波数を減衰するために、所定の長さと所定の横断面を有していなければならない。

第３の壁面部分によって画成された吸収室を燃焼室の内部に音響的に接続するために、接続小管として形成された接続管路は、二重壁状に形成された燃焼室の、冷却空気が流通する中間室を局部的に通過し、同時にその周りを流れる冷却空気によって効果的に冷却される。これは、冷却のために接続小管に空気を別個に流通させる必要がないという利点がある。更に、接続小管による、燃焼室の側からの吸収室の加熱または過熱が排除される。この接続小管は、前述のように効果的に冷却される。それでもなお、接続小管の周りを流れる冷却空気の、接続小管に対する冷却作用が充分でないときには、不足する冷却作用のための冷却空気が接続小管に適切に流通させられる。この付加的な冷却作用は中間室からの冷却空気および／または燃焼室の外側からの冷却空気、例えばプレナムから第３の壁面部分の穴を通過する冷却空気によって実現可能である。接続小管を通過するこのような冷却空気流の流速は１０ｍ／ｓよりも遅くすべきである。

有利な実施形では、吸収室に接続された多数の接続小管が二重壁状に形成された燃焼室壁に沿って設けられ、好ましくは燃焼室内の波腹の個所に設けられる。それぞれ吸収室と接続小管からなるこのような多数の減衰装置と、その三次元的な形状と大きさは基本的には、燃焼室内で生じる燃焼室脈動のその都度の音響的な実状に従って決定される。この燃焼室脈動は熱音響的振動とも呼ばれる。基本的には、減衰すべき共鳴周波数ｆは、設けられる吸収室Ａに依存して次のように計算される。

ここで、ｃ₀ は音速、
Ａは接続小管の開放面積、
Ｖは低温側の小管あたりの容積、
Ｌは小管の穴の長さ、
ΔＬは小管の開口補正値である。

しかし、上記の数式は大まかな基準であり、特に開口補正値ΔＬと音速ｃ₀ は燃焼室の運転条件下で正確に知られていない。吸収器によって定められる減衰すべき固有周波数は経験的に決定しなければならない。更に、燃焼室に沿って燃焼室の周方向に多数の個々の減衰要素を配置することは、個別的に調和させなければならない。

好ましい実施形の目的はこのような調和のための手段を簡単化することである。この実施形の場合、音響的に有効な容積を可変調節することができる調節手段が吸収室内に設けられている。この調節手段は例えば、音響的に有効な容積を可変に縮小または増大するプランジャの形をしている。音響的に有効な容積または音響的に作用する容積とは、接続小管に接続された吸収室の一部であると理解すべきである。プランジャとして形成された調節手段は吸収室を２つの室範囲に分割する。すなわち、接続小管から見てプランジャ面の手前の室範囲と、プランジャ面の背後の室範囲とに分割する。プランジャ面の背後の室部分は音響的な吸収または減衰のために寄与しない。

これに関連して、吸収容積を画成する第３の壁面部分を弾性的に形成すると有利である。それによって、装置の減衰作用が更に改善される。

二重壁状の燃焼室壁はそれ自体公知のごとく、２つの壁面部分からなっている。この壁面部分は両方共に、鋳造法で製作可能である。両壁面部分を互いに正確に離隔するために、内側の壁面部分はスペーサ要素としていわゆる縦方向リブを備え、固定ウェブとして保持リブを備えている。このリブによって、両壁面部分は間隔を正確に維持しながら、互いに固定連結可能である。鋳造を複雑にしないため、それどころか簡単にするために、接続小管として形成された接続管路は、保持リブに沿って設けられている。従って、接続小管と保持リブは一体のユニットとして、内側の壁面部分と共に、１つの鋳造工程で製作可能である。この手段は更に、正確に設定可能な壁面厚さを有する内側の壁面部分の鋳造技術的な製作を非常に容易にする。それによって、設定可能な一定の寸法を有する大きな面積の壁面部分を、厚さの偏差なしに実現することができる。

次に、本発明の思想を制限することなく、図を参照して実施の形態に基づき本発明を説明する。

発明を実施するための形態、用途
図１は、燃焼室１内の共鳴振動を低減するための減衰装置の横断面図である。この燃焼室は二重壁状に形成された燃焼室壁２によって取り囲まれている。この燃焼室壁は外側の壁面部分２２と内側の壁面部分２１とによって中間室３を気密に取り囲んでいる。この中間室内には、燃焼室壁２、特に内側の壁面部分２１を対流冷却するために、冷却空気が供給可能である。

外側の壁面部分２２の、燃焼室１とは反対の側には、第３の壁面部分４が設けられている。この第３の壁面部分は外側の壁面部分２２と共に気密な室、いわゆる共鳴室または吸収室５を形成している。この吸収室５は接続小管の形をした接続管路６を介して燃焼室１に接続され、同時に燃焼室１と吸収室５を音響的に作用接続する。

所定の周波数で燃焼室１内で発生する燃焼室脈動を音響的に効果的に減衰するために、接続管路６と吸収室５の幾何学的な大きさ（寸法）を個別的に適合させるべきである。

内側と外側の壁面部分２１，２２はそれ自体公知のごとく鋳造技術的に製作されている。この場合、壁面部分２１は縦方向リブ７を備えている。この縦方向リブはスペーサ要素としての働きをし、外側の壁面部分２２と内側の壁面部分２１の間隔を設定した間隔に正確に保つ。更に、内側の壁面部分２１は慣用の保持リブ８を備えている。この保持リブは縦方向リブ７よりも長く形成され、組み立て状態で外側の壁面部分２２の穴９を通過し、気密の溶接連結部１０によって壁面部分２２に固定連結されている。吸収室５を燃焼室１に音響的に接続するために設けられた接続管路６は好ましくは、保持リブ８と一体になっている。この保持リブは縦方向リブ７と同様に、内側の壁面部分２１に一体に連結され、１つの鋳造工程で製作可能である。

図２ａ〜２ｃは、本発明による緩衝装置の好ましい実施の形態の部分図である。図２ａは吸収室５を局部的に設けた、燃焼室の外側の壁面部分２２の平面図である。この吸収室はそれぞれ第３の壁面部分４によって画成されている。

図２ｂは図２ａのＡ−Ａ線に沿った、二重壁状の燃焼室壁２と第３の壁面部分４の断面図である。この第３の壁面部分はそれぞれ外側の壁面部分２２に気密に固定連結されている。その際、個々の吸収室５は接続管路６の上に設けられている。この接続管路は吸収室５と燃焼室１とを音響的に効果的に接続する。

図２ｃは、燃焼室壁２の横断面を示す、図２ｂのＢ−Ｂ線に沿った断面図である。第３の壁面部分４によって画成された個々の吸収室４が明瞭に示してある。この吸収室はそれぞれ、接続管路６の上に気密に設けられている。

勿論、隣接する２つの接続管路６の上に１個の第３の壁面部分４を設けることができる。それによって、２個またはそれ以上の接続管路６が１つの同じ吸収室５内に開口する。このような手段は音響的な条件に応じて選択することができる。

本発明に従って形成された減衰装置の音響的な減衰状態を、その都度発生する燃焼室脈動に対して個別的に容易に適合させることができるようにするために、図３に示した好ましい実施の形態では、プランジャ状に形成された調節手段１１が吸収室５内に設けられている。この調節手段の直線運動（両方向矢印参照）によって、音響的に有効な室５′の容積を無段階に変更することができる。音響的に作用する室５′は２個の接続管路６を介して燃焼室１に接続され、これによって燃焼室１内で生じる所定の燃焼室脈動を周波数に従って選択的に減衰することができる。

減衰性能を高めるために、好ましくは多数の接続管路が燃焼室に沿って二重壁状の燃焼室壁内に設けられている。接続管路は好ましくはアンチノード（波腹）を形成する燃焼室の個所に設けられる。そのために、図４では、燃焼室壁２内に形成された接続管路６は燃焼室縦軸線ｘに沿って、それぞれ異なる周波数ｆ１，ｆ２を有する燃焼室振動の最大振幅の個所に設けられている。音響的な減衰能力に応じて、１つまたは複数の接続管路６を共通の１つの吸収室５に合流させることができる。

図４から明らかなように、吸収室あたり、所定の周波数だけを効果的に減衰することができる。従って、異なる２つの周波数ｆ１，ｆ２を減衰するためには、それぞれ異なるように形成された２つの吸収室が必要である。それぞれ１つの周波数の振動を減衰する吸収室は好ましくは、燃焼室ケーシングに軸方向に並べて配置されている。それによって、それぞれ異なる周波数を減衰するための吸収室が燃焼室ケーシングの周方向に分配配置される。

付加的な共鳴吸収器を備えた二重壁状の燃焼室壁の横断面図である。 ａ，ｂ，ｃは並べて配置された多数の吸収ユニットの実施の形態を示す図である。 プランジャ構造体を備えた吸収室を概略的に示す図である。 燃焼室に沿った吸収ユニットの配置構造を概略的に示す図である。

符号の説明

１ 燃焼室
２ 二重壁状の燃焼室壁
２１ 内側の壁面部分
２２ 外側の壁面部分
３ 冷却通路、中間室
４ 第３の壁面部分
５ 気密な室、共鳴室または吸収室
５′ 音響的に作用する室
６ 接続管路、接続小管
７ 縦方向リブ
８ 保持リブ
９ 開口
１０ 溶接継手
１１ 調節手段
ｘ 燃焼室縦軸線
ｆ１，ｆ２ 燃焼室振動の周波数

Claims (13)

1. 二重壁状に形成された燃焼室壁（２）が備えられ、この燃焼室壁の外側の壁面部分（２２）と、燃焼室（１）寄りの内側の壁面部分（２１）とが中間室（３）を気密に取り囲み、燃焼室壁（２）を対流冷却するために冷却空気を前記中間室に供給することができる、燃焼室（１）内の共鳴振動を低減するための減衰装置において、少なくとも１つの第３の壁面部分（４）が設けられ、この第３の壁面部分が外側の壁面部分（２２）と共に気密な室（５）を取り囲んでいることと、気密な室（５）が少なくとも１つの接続管路（６）を介して燃焼室（１）に気密に接続されていることを特徴とする減衰装置。
2. 第３の壁面部分（４）が燃焼室（１）とは反対の外側の壁面部分（２２）の側に設けられ、この外側の壁面部分と共に気密な室（５）を取り囲んでいることを特徴とする、請求項１記載の減衰装置。
3. 第３の壁面部分（４）が少なくとも１個のスペーサ要素を介して外側の壁面部分（２２）に間接的に連結されているかまたは外側の壁面部分に直接連結されていることを特徴とする、請求項１または２記載の減衰装置。
4. 二重壁状の燃焼室壁（２）が内側と外側の壁面部分（２１，２２）を正確に離隔するためおよび／または互いに固定するために縦方向リブ（７）および／または保持リブ（８）を備えていることと、接続管路（６）が縦方向リブ（７）および／または保持リブ（８）の個所に設けられ、この縦方向リブおよび／または保持リブと共に１つの構造ユニットとして形成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載の減衰装置。
5. 縦方向リブ（７）および／または保持リブ（８）が鋳造で製作可能な内側の燃焼室壁（２１）に一体に連結されていることを特徴とする、請求項４記載の減衰装置。
6. 接続管路（６）が接続小管として形成され、かつ中間室（３）を通過し、そして冷却空気がこの接続管路の周りを流れることが可能であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載の減衰装置。
7. 気密な室（５）がヘルムホルツ共鳴器として形成され、このヘルムホルツ共鳴器の音響的に有効な容積（５′）が燃焼室（１）内で発生する、共鳴周波数を有する振動の音響的な減衰に応じて調節されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載の減衰装置。
8. 気密な室（５）内に、音響的に有効な容積を可変に調節可能な調節手段（１１）が設けられていることを特徴とする、請求項７記載の減衰装置。
9. 調節手段（１１）が気密な室（５）内に移動可能に配置されたプランジャのように形成されていることを特徴とする、請求項８記載の減衰装置。
10. 第３の壁面部分（４）が弾性的に形成されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一つに記載の減衰装置。
11. 接続管路（６）が燃焼室（１）に対して、減衰すべき音響的な振動の波腹の個所に配置されていることを特徴とする、請求項７〜１０のいずれか一つに記載の減衰装置。
12. 燃焼室（１）が熱発生装置またはエネルギー発生装置に一体化されていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一つに記載の減衰装置。
13. 燃焼室（１）がガスタービン燃焼室であることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一つに記載の減衰装置。

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