JP2005527763A - ガスタービン - Google Patents

Abstract

燃焼器（５５）にバーナ開口（４）で開口しているバーナ（１）を備えたガスタービン（５１）に関する。本発明に基づき、バーナ開口（４）がヘルムホルツ共鳴器（１９）によって環状に取り囲まれる。これによって、燃焼振動が、火炎との密接な接触によって効果的に減衰され、同時に、不均一な温度が防止される。更に共鳴器の共鳴空間（２３）と燃焼器（５５）とを結ぶ細管（６１）を設けると、共鳴器の構造寸法を小さくすることができる。

Description

本発明は、燃焼器に開口するバーナを備えたガスタービンに関する。その燃焼器は、特に環状燃焼器として形成されている。

ガスタービン、航空エンジン、ロケットエンジンおよび暖房設備のような燃焼系では、熱音響的に誘起される燃焼振動が生ずる。これは燃焼火炎とそれに伴う発熱との相互作用によって生ずる。その発熱は音響的圧力変動を伴い、その音響的励振によって、火炎の位置、火炎正面又は混合気組成が変動し、そのために、更に、発熱量が変動する。構造的位相位置において、積極的な反動振動および振動の増加が生ずる。そのように増加した燃焼振動は、かなりの騒音負荷および振動による損傷を生じさせる。

この熱音響的に引き起こされる不安定性は、主に燃焼室の音響特性と、燃焼室入口、燃焼室出口および燃焼器壁に存在する周辺条件とによって影響される。その音響特性は、ヘルムホルツ共鳴器の据付けによって変化させ得る。

国際公開第９３／１０４０１号パンフレットに、ガスタービン設備の燃焼器での燃焼振動を抑制する装置が示されている。即ちヘルムホルツ共鳴器が燃料供給管に流体的に接続されている。この結果、その燃料供給管又は音響的全系統の音響特性は、燃焼振動が抑制されるように変化される。尤も、燃料管での振動の抑制時にも燃焼振動が生ずるので、その処置が全ての運転状態において十分ではないことが明らかになっている。

米国特許第６０５８７０９号明細書は、燃焼振動を防止すべく、バーナの燃焼通路の、軸方向の異なる位置に燃料を導入することを提案している。この結果、燃焼振動の発生に関し、これを助長するような位相条件に、抑制するような位相条件が重畳し、これに伴い全体として不安定性が低下し、燃焼振動の発生傾向が減少する。但しこの処置は、ヘルムホルツ共鳴器を利用する純粋に受動的な処置に比べ、非常に経費を要する。

欧州特許出願公開第０５９７１３８号明細書は、バーナの範囲に空気洗流形ヘルムホルツ共鳴器を有するガスタービン燃焼器を開示している。該共鳴器は、燃焼器の端面に、バーナ間に互い違いに配置されている。これら共鳴器によって、燃焼器で発生した燃焼振動の振動エネルギが吸収され、これに伴い燃焼振動が減衰される。

燃焼振動を減衰するための別個の処置は、欧州特許出願公開第１００４８２３号明細書に示されている。そこでは、ヘルムホルツ共鳴器がバーナの混合領域に直接結合される。バーナ内に生じ、また燃料供給管によっても引き起こされる燃焼振動を共鳴器で吸収すべく、その共鳴器を燃料供給口の上流に設けている。

本発明の課題は、燃焼振動の発生傾向が小さいガスタービンを提供することにある。

この課題は、本発明に基づいて、燃焼器と、該燃焼器にバーナ開口で開口しているバーナとを備えたガスタービンにおいて、バーナ開口がヘルムホルツ共鳴器によって環状に取り囲まれていることによって解決される。

即ち第１に、ヘルムホルツ共鳴器をバーナの開口の周りに配置することを提案する。本発明の認識に基づいて、共鳴器が燃焼領域に不均一に作用すると、共鳴器による燃焼振動の減衰は、局所的温度差を生じさせる。これは、共鳴器をバーナ火炎の周りに環状に対称的に配置することで防止できる。それにより生ずる温度の均一化は、減衰作用を高め、同時に窒素酸化物の発生を減少させる。更に、火炎の直ぐ周りに共鳴器を配置することで、共鳴器は、最強発熱個所に直接強く作用する。燃焼振動の主発生源との接触の改善も、共鳴器の作用を高める。

ヘルムホルツ共鳴器が共鳴空間を有し、共鳴器開口で燃焼器に開口し、共鳴器開口が細管で共鳴空間内に続いていると好ましい。更に、共鳴器開口を多数の開口で形成し、それら各開口が、各々細管を介して共鳴空間内に延びるようにするとよい。即ち細管を共鳴空間内に突入させる。この実施形態によって、共鳴器の構造的寸法を小さくなし得る。通常共鳴器は、容積Ｖおよび所定の長さＩと横断面積Ａを持つ孔を備えている。この幾何学形状は、音速ｃに関し、次式で表される共鳴周波数を決定する。

上式から、低周波数を抑制するには非常に大きな空間容積が必要である。もっとも、それは実際には、供給される有用場所が小さいために、大きな速度を伴う。ここで述べた装置において、いまや、孔の長さが大きく増大される。これは、孔を共鳴空間内に突入する細管として形成することで達成される。共鳴器の内容積は全く変化しない。従って、共鳴器の外部寸法を小さくできる。前記細管は、壁に対して十分に離すために、ひねって形成される。細管の長さを変えることで、減衰装置は、燃焼系統で生ずるあらゆる任意の周波数に合わされる。その際、共鳴器、従ってバーナ連結部の外部寸法並びに総開口断面積を変化させる必要がない。主要な利点は、突入した細管によって、低周波数を減衰するために共鳴器の空間の容積を増大する必要がないことにある。

細管を湾曲又はひねって形成し、もって共鳴器壁に対する最小間隔を下回ることなく、細管長を増大するとよい。

共鳴空間の容積は、例えば共鳴器壁をピストン状に変位するで調整できる。この結果、音響特性、特にインピーダンスを適合させるべく調整できる。

有利な実施態様では、燃焼器を環状燃焼器として形成する。環状燃焼器の場合、燃焼振動は、比較的大きな燃焼器容積およびその中で互いに連結されたバーナのために、極めて有害で危ない燃焼振動が生ずる。更に、そのような燃焼器の音響特性は計算できない。

ヘルムホルツ共鳴器をバーナ連結部に一体に組み入れ、バーナをバーナ連結部を経て燃焼器に結合するとよい。このバーナ連結部は固有の部品であり、燃焼器壁に例えばねじ結合され、本来のバーナがその中に設置される。しかし、ヘルムホルツ共鳴器はバーナに結合することもでき、これに伴い、例えばバーナ連結部がバーナのフランジを形成し、該フランジでバーナが燃焼器壁に結合される。バーナ連結部への共鳴器の組み入れに伴い、燃焼器壁における構造的処置は不要であり、共鳴器は必要に応じて簡単に取り外せる。

ヘルムホルツ共鳴器は通気可能に形成するとよい。これによって、共鳴器のインピーダンスを簡単に変化させ、適合させ得る。更に、共鳴器の冷却が達成され、かつバーナ連結部に共鳴器を一体に組み入れた場合、バーナ連結部全体の冷却も達成される。

以下図示の実施例を参照して本発明を詳細に説明する。なお、各図において同一部分には同一符号を付してある。

図１はガスタービン５１を示す。タービン５１は、圧縮機５３と、環状燃焼器５５と、タービン部分５７とからなる。周囲からの空気５８が圧縮機５３に導入され、そこで燃焼空気９の形で高圧に圧縮される。続いて、燃焼空気９は環状燃焼器５５に導かれる。燃焼空気はガスタービンバーナ１で燃料１１と共に燃焼し、高温ガス５９を生ずる。この高温ガス５９はタービン部分５７を駆動する。

上述の理由から、環状燃焼器５５で燃焼振動が発生し、この振動は、ガスタービン５１の運転をかなり害する。かかる燃焼振動の減衰のため、ヘルムホルツ共鳴器を備える。その特に有効な構造様式について以下に説明する。

図２は、ガスタービンバーナ１を示す。バーナ１は、バーナ連結部２を経て燃焼器５５の燃焼器壁５６に結合され、バーナ開口４で燃焼器５５に開口している。バーナ１のバーナ通路３は、環状通路３０として中央通路４１を包囲している。環状通路３０は予混合通路として形成され、この通路で燃料１１と燃焼空気９が燃焼前に強く混合される。これは予混合燃焼と呼ばれている。燃料１１は、中空に形成された旋回翼１３を経て環状通路３０内に導入される。中央通路４１は、中央燃料供給管４５と共に燃焼領域２７に開口し、燃料、特に油が、旋回ノズル４７を介して導入される。この際、燃料１１と燃焼空気９は、燃焼領域２７で初めて混合され、拡散燃焼する。しかし中央通路４１に、燃焼領域２７の上流で燃料入口４３を経て、燃料、特に天然ガスを供給することもできる。

バーナ連結部２に、ヘルムホルツ共鳴器１９が一体に組み入れられている。このヘルムホルツ共鳴器１９は共鳴空間２３を有し、孔から成る共鳴器開口２１を介して燃焼器５５に開口している。その各孔に、共鳴空間２３の中に向かって細管６１が続いている。それらの細管６１はひねって形成されている。ヘルムホルツ共鳴器１９はバーナ開口４を環状に取り囲んでいる。

共鳴器１９によるバーナ開口４の環状的包囲は、燃焼領域２７に一様な作用を生じさせる。この結果、共鳴器１９により温度が不均一になることはない。更に共鳴器１９は、最強発熱領域に、直接極めて効果的に作用する。

細管６１は共鳴器１９を構造的に非常に小型化し、その結果、共鳴器１９のバーナ連結部２への一体的な組み入れが可能となる。空気入口６３を経て共鳴器１９に空気が導入され、これに伴い、共鳴器１９は、一方ではそのインピーダンスを適合でき、他方では冷却もできる。

ガスタービンの概略構成図。 燃焼器壁に配置されたバーナの断面図。

符号の説明

１ バーナ、２ バーナ連結部、４ バーナ開口、１９ ヘルムホルツ共鳴器、２３ 共鳴空間、５１ ガスタービン、５５ 燃焼器、６１ 細管

Claims (7)

1. 燃焼器（５５）と、該燃焼器（５５）にバーナ開口（４）で開口しているバーナ（１）とを備えたガスタービン（５１）において、バーナ開口（４）がヘルムホルツ共鳴器（１９）によって環状に取り囲まれたことを特徴とするガスタービン。
2. ヘルムホルツ共鳴器（１９）が共鳴空間（２３）を有し、共鳴器開口（２１）で燃焼器（５５）に開口し、共鳴器開口（２１）が細管（６１）で共鳴空間（２３）内に続いていることを特徴とする請求項１記載のガスタービン。
3. 細管（６１）が湾曲又はひねって形成されたことを特徴とする請求項１又は２記載のガスタービン。
4. 共鳴空間（２３）の容積が調整可能であることを特徴とする請求項１から３の１つに記載のガスタービン。
5. 燃焼器（５５）が環状燃焼器として形成されたことを特徴とする請求項１から４の１つに記載のガスタービン。
6. ヘルムホルツ共鳴器（１９）がバーナ連結部（２）に一体に組み入れられ、バーナ（１）がバーナ連結部（２）を介して燃焼器（５５）に結合されたことを特徴とする請求項１から５の１つに記載のガスタービン。
7. ヘルムホルツ共鳴器（１９）が通気可能に形成されたことを特徴とする請求項１から６の１つに記載のガスタービン。

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