JP2008064405A - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン燃焼器全体に対する燃焼振動抑制の対策を施したガスタービン燃焼器を提供すること。
【解決手段】周方向に配列された複数の燃焼器ユニット１０を備えているガスタービン燃焼器１において、燃焼器ユニット１０毎の共鳴周波数を離調させる共鳴周波数離調手段として、スリーブ２０が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン燃焼器に関するものである。

ガスタービンプラントは、圧縮機と、燃焼器（ガスタービン燃焼器）と、タービンとを有している。圧縮機は空気を取り込んで圧縮し、高圧の圧縮空気を吐出する。圧縮機から吐出された圧縮空気は、燃焼用空気として燃焼器に取り入れられ、燃焼器に供給された燃料とともに燃焼して高温の燃焼ガスとなる。この燃焼ガスはタービンに取り入れられ、動翼及び静翼間を燃焼ガスが流れることによりタービンを駆動する。
このようなガスタービンプラントにおいては、燃料が燃焼される際、燃焼器内に燃焼振動を発生することがある。ガスタービンプラントを安定して運転するためには、燃焼器の燃焼振動を効果的に抑制することが望まれる。

上述した燃焼振動の低減対策として、特に、横断面内で節を１つ以上有する超高サイクル振動（燃焼器内周方向モード）に有効な燃焼振動の低減対策として、多数の孔が設けられている燃焼筒の外周領域に音響ライナと呼ばれる燃焼振動低減手段を取り付けることが知られている。この音響ライナは、燃焼筒の外周面適所にハウジングを固定して取り付けることにより、消音器としての役割を担う共鳴器（レゾネータ）の空間を形成したものである。このような音響ライナにおいては、燃焼筒内の燃焼ガスと音響ライナ内の燃焼ガスとが共鳴し、燃焼筒内及び音響ライナ内の空間を連通状態とする孔の壁面で生じる摩擦によって燃焼振動が減衰される。（たとえば、特許文献１参照）
特開２００５−７６９８２号公報（図１、図２Ａ及び図３参照）

ところで、ガスタービン燃焼器は、通常周方向に配列された複数の燃焼器ユニットを備えている。すなわち、複数の燃焼器ユニットは、タービン軸を中心とする円の周方向に等ピッチで配列されている。
しかしながら、上述した特許文献１に記載された従来技術は、複数ある燃焼器ユニット毎に音響ライナを取り付けて減衰を付加し、自励振動を抑えることで燃焼器ユニット単体の燃焼振動を抑制するものであり、複数ある燃焼器ユニット間の共鳴などガスタービン燃焼器全体を考慮したものではない。

ガスタービン燃焼器の燃焼振動は、最悪の場合、製品を破損させる原因にもなるような大きな振動であるが、一方、この燃焼振動が発生しない条件で運転しても、満足できる性能を得ることはできない。
このような背景から、複数の燃焼器ユニットが周方向に配列されてなるガスタービン燃焼器において、燃焼器ユニット単体の燃焼振動対策だけではなく、ガスタービン燃焼器全体に対する燃焼振動抑制の対策が望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ガスタービン燃焼器全体に対する燃焼振動抑制の対策を施したガスタービン燃焼器を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係るガスタービン燃焼器は、周方向に配列された複数の燃焼器ユニットを備えているガスタービン燃焼器において、前記燃焼器ユニット毎の共鳴周波数を離調させる共鳴周波数離調手段が設けられていることを特徴とするものである。

このようなガスタービン燃焼器によれば、燃焼器ユニット毎の共鳴周波数を離調させる共鳴周波数離調手段を設けたので、燃焼器ユニット毎の共鳴周波数を離調させることにより、各燃焼器ユニット毎の燃焼振動が共鳴することを防止し、ガスタービン燃焼器全体としての燃焼振動を抑えることができる。

上記の発明において、前記共鳴周波数離調手段は、前記燃焼器ユニットの燃焼空気入口部に設けられて少なくともひとつの長さを変化させたスリーブを備えていることが好ましく、これにより、特に減衰比が小さく不安定となりやすいモードに対して、燃焼器ユニット毎の共鳴周波数を離調させて燃焼振動の発振を回避することができる。

上記の発明において、前記スリーブに多数の孔を穿設して多孔構造とすることが好ましく、これにより、開口率の調整によりスリーブの音響的な長さをチューニングすることができる。すなわち、孔のないスリーブと比較して、長さの短いスリーブで同様の音響特性を得ることができる。
換言すれば、スリーブに穿設する多数の孔は、その数や形状により開口率や配置等をスリーブ毎に異ならせるなどして、各スリーブの音響的な長さをチューニングすることができるので、特に減衰比が小さく不安定となりやすいモードに対して、燃焼器ユニット毎の共鳴周波数を離調させて燃焼振動の発振を回避することができる。
なお、共鳴周波数離調手段となるスリーブは、スリーブ長さと孔によるチューニングとを組み合わせてもよい。

上記の発明において、前記共鳴周波数離調手段は、車室内壁から中心方向へ延びて隣接する燃焼器ユニット間を仕切るように配設された板部材を備えていることが好ましく、これにより、車室周方向に対して音響モードの位相を固定することができるので、特に減衰比が小さく不安定となりやすいモード以外の燃焼振動モードにおいて、燃焼器ユニット毎の共鳴周波数を離調させることができる。

上記の発明において、前記共鳴周波数離調手段は、前記燃焼器ユニットの外周に設けられ、隣接する燃焼器ユニット毎に異なる音響特性の燃焼振動抑制用共鳴空間を備えていることが好ましく、これにより、車室周方向に対して音響モードの位相を固定することができる。

また、上述した共鳴周波数離調手段は、スリーブ、仕切板及び燃焼振動抑制共鳴空間を単独で採用してもよいし、あるいは、適宜組み合わせて用いることも可能である。

上述した本発明によれば、周方向に複数配列された燃焼器ユニット毎の共鳴周波数を離調させることにより、ガスタービン燃焼器全体に対する燃焼振動抑制の対策を施したガスタービン燃焼器を提供することができるので、ガスタービン燃焼器の信頼性や耐久性を増すという顕著な効果が得られる。

以下、本発明に係るガスタービン燃焼器の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１（ａ）はガスタービン燃焼器の一部を示す断面図であり、このガスタービン燃焼器１は複数の燃焼器ユニット１０を備えている。
各燃焼器ユニット１０は、タービン軸（不図示）の周囲に等ピッチで環状に配置された燃焼器ケーシング１１内に設置されている。すなわち、ガスタービン燃焼器１は、複数の燃焼器ユニット１０が、タービン軸を中心とする円の周方向に、等ピッチに配列された構成とされる（図１では、燃焼器ユニットが１個のみ表示されている）。

燃焼器ケーシング１１及びガスタービンケーシング１２の内部には圧縮空気が充満し、車室１３を形成している。この車室１３には、圧縮機（不図示）により圧縮された空気が導入される。
車室１３に導入された圧縮空気は、燃焼器ユニット１０の上流部に設けられた空気流入口１４から、燃焼器ユニット１０の内筒１５内に入る。内筒１５の内部では、燃焼バーナー１６から供給された燃料と圧縮空気とが混合されて燃焼する。この燃焼により生成された高温高圧の燃焼ガスは、尾筒１７を通ってタービン室（不図示）側へ供給されることにより、タービンロータ（不図示）を回転させる。

＜第１の実施形態＞
上述したように、周方向に配列された複数の燃焼器ユニット１０を備えているガスタービン燃焼器１には、燃焼器ユニット１０毎の共鳴周波数を離調させる共鳴周波数離調手段が設けられている。以下、第１の実施形態に係る共鳴周波数離調手段の具体的な構成例を図１（ａ）に基づいて説明する。
この実施形態では、共鳴周波数離調手段として、燃焼器ユニット１０の燃焼空気入口部１８にスリーブ２０が設けられている。このスリーブ２０は、たとえば板材を円筒状に成形したものであり、燃焼器ケーシング１１に固定するなどして設けられている。なお、この場合の燃焼空気入口部１８は、圧縮機から車室１３内に導入された燃焼用の圧縮空気が燃焼器ケーシング１１に流入する入口のことであり、燃焼用空気入口部１８を通過した圧縮空気は、図中に矢印で示すようにＵターンして流れ、空気流入口１４から内筒１５内に流入する。

上述したスリーブ２０は、複数の燃焼器ユニット１０を備えたガスタービン燃焼器１全体としての燃焼振動を抑制するため、車室１３側へ突出する長さＬについて、少なくともひとつを変化させて異なる値にしたものである。すなわち、複数の燃焼器ユニット１０に設けられて車室１３側へ突出するスリーブ２０の長さＬは、各燃焼器ユニット１０毎に全てが異なる値に設定されたものでもよいし、あるいは、ひとつの燃焼器ユニット１０を除いた全てが同じ値に設定されたものでもよい。換言すれば、スリーブ２０の長さＬは、周方向に配列された複数の燃焼器ユニット１０において、不一致のものが少なくともひとつあればよい。
なお、長さＬが最も短いスリーブ２０として、スリーブ２０を設けない（Ｌ＝０）燃焼器ユニット２０を採用してもよい。

以下、スリーブ２０を設けて燃焼振動を抑制する具体例を説明する。
たとえば周方向に１６本の燃焼器ユニット１０が配列されたガスタービン燃焼器１の場合、適当な１本の燃焼器ユニット１０を選択する。そして、選択した燃焼器ユニット１０のスリーブ２０については、左右の両隣に配設されている燃焼器ユニット１０の長さＬといずれも異なる値に設定する。
この結果、隣接する燃焼器ユニット１０のスリーブ２０は、いずれも音響特性が異なるものとなるので、互いの共鳴周波数が離調することになる。従って、特に減衰比が小さく不安定となりやすい燃焼振動モードに対し、燃焼振動の発振を回避させることができる。具体的には、１６本の燃焼器ユニット１０が配列されたガスタービン燃焼器１において、隣接する燃焼器ユニット１０毎の共鳴周波数が離調することにより、８ノーダル（ＮＤ）モードの燃焼振動が発生しにくくなる。

ところで、上述した実施形態のスリーブ２０は、図１（ｂ）に示すような変形例も可能である。
この変形例において、燃焼器ユニット１０の燃焼空気入口部１８に設けられたスリーブ２０Ａは、円筒状とした板材に多数の孔２１が穿設された多孔構造とされる。ここで穿設される孔２１は、隣接する燃焼器ユニット１０のスリーブ２０Ａが異なる音響特性を有するように、それぞれの開口率や配置等が異なるものになる。具体的には、形状や数が異なる孔２１を多数穿設することにより、各スリーブ２０の孔２１が異なって開口率が調整されたものとなる。

このように、多数穿設した孔２１の異なるスリーブ２０Ａを備えていると、孔２１のないスリーブ２０と比較して長さＬを短くして同様の作用を得ることができる。すなわち、スリーブ２０Ａに穿設する多数の孔２１は、開口率や配置等の調整によりその音響的な長さ（すなわち、音響特性）をチューニングすることができるので、長さＬが短いスリーブ２０Ａの採用が可能となる。そして、長さＬの短いスリーブ２０Ａにより、上述した実施形態のスリーブ２０と同様に、特に減衰比が小さく不安定となりやすい燃焼振動モードに対して、燃焼器ユニット１０毎の共鳴周波数を離調させて燃焼振動の発振を回避することができる。

ところで、このような多孔構造のスリーブ２０Ａは、スリーブ長さＬの調整による音響特性のチューニングと併用することも可能である。従って、周方向に配列された複数の燃焼器ユニット１０毎に取り付けられるスリーブは、長さＬによるチューニングに制約を受ける場合等には多孔構造を併用することが可能であり、また、多孔構造によるチューニングに制約を受ける場合等には長さＬの調整を併用することが可能である。
なお、一般的には、同じ音響特性を得るのであれば、開口率を大きくすることにより、スリーブ長さＬを短くすることができる。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明に係る第２の実施形態として、共鳴周波数離調手段の具体的な構成例を図２及び図３に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態では、共鳴周波数離調手段として、車室１３の内壁からタービン軸のある中心方向へ延びて、周方向へ隣接する燃焼器ユニット１０間を仕切るように配設された板部材（以下、「仕切板」と呼ぶ）２５を備えている。この仕切板２５は、たとえば図３に示すように、タービン軸の中心を通る同一直線上に左右一対設けることにより、車室１３内の周方向を部分的に遮断するものである。

このような仕切板２５は、車室１３内の周方向を部分的に遮断しているので、車室１３の周方向は音響モードの位相が固定される。このため、特に減衰比が小さく不安定となりやすいモード以外の燃焼振動モードにおいて、具体的には、たとえば燃焼器ユニット１０が１６本配設されている場合の８ＮＤモード以外の燃焼振動モード等において、燃焼器ユニット１０毎の共鳴周波数を離調させることができる。
この実施形態で説明した仕切板２５は、第１の実施形態及びその変形例で説明したスリーブ２０，２０Ａとの組合せが可能であり、たとえば第１の実施形態で例示した８ＮＤモード以外の燃焼振動モードに対し、仕切板２５を有効に利用して共鳴周波数を離調させることができる。

＜第３の実施形態＞
最後に、本発明に係る第３の実施形態として、共鳴周波数離調手段の具体的な構成例を図１から図３に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態では、共鳴周波数離調手段として、燃焼器ユニット１０の外周に設けられている燃焼振動抑制用共鳴空間の音響ライナ３０が採用される。この音響ライナ３０は、その基本的な構成は、特許文献１に記載されたものと実質的に同じである。すなわち、多数の孔が穿設されたハウジングを燃焼筒の外周面適所に固定して取り付けたものであり、燃焼筒内の燃焼ガスと音響ライナ３０内の燃焼ガスとが共鳴し、燃焼筒内及び音響ライナ３０内の空間を連通状態とする孔（不図示）の壁面で生じる摩擦によって燃焼振動が減衰される。

このような音響ライナ３０について、本発明では、従来全ての燃焼器ユニット１０が同じであった音響特性について、隣接する燃焼器ユニット１０毎に共鳴周波数が異なる音響特性となるようチューニングする。このようなチューニングにより、車室１３の周方向に対して音響モードの位相を固定することができる。
すなわち、この音響ライナ３０は、第２の実施形態で説明した仕切板２５と同様の作用を有するものである。従って、隣接する燃焼器ユニット１０の音響ライナ３０が、互いに異なる音響特性にチューニングされていると燃焼振動の音響モードを固定することが可能になるので、たとえば燃焼器ユニット１０が１６本配設されている場合の８ＮＤモード以外の燃焼振動モード等において、燃焼器ユニット１０毎の共鳴周波数を離調させることができる。

そして、各燃焼器ユニット１０毎にチューニングする音響ダンパ３０は、第１の実施形態で説明したスリーブ２０，２０Ａと組み合わせることが好ましい。このような組合せにより、比較的大きな部品となる音響ダンパ３０を設置場所に応じて最適化し、足りない性能をスリーブ２０，２０Ａにより補うことが可能となる。すなわち、大型部品である音響ダンパ３０については、各燃焼器ユニット１０毎に同じものを無理に取付ける必要がなくなるので、燃焼振動の抑制を実現すると同時に、ガスタービン燃焼器１の設計自由度を増すことができる。

図３は、１６本の燃焼器ユニット１０を備えたガスタービン燃焼器１において、音響ダンパ３０と仕切板２５とを組合せた例である。
この組合せ例では、同一直線上に一対の仕切板２５が配設され、周方向が二分割されている。このような状況では、１ＮＤモードの燃焼振動に対し、図中に白丸で示す位置にある燃焼器ユニット１０には音響ダンパ３０が不要であり、その分、黒丸で示す位置にある燃焼器ユニット１０に対して性能の高い音響ダンパ３０を設置すればよい。この結果、簡単な構造の仕切板２枚を設けることで、大型部品の音響ダンパ３０を半減させて燃焼振動対策を行うことができる。

上述したように、周方向に複数配列された燃焼器ユニット１０毎の共鳴周波数を離調させることにより、ガスタービン燃焼器１全体に対する燃焼振動抑制の対策を施すことができるので、ガスタービン燃焼器１の信頼性や耐久性を増すことができる。
また、上述した共鳴周波数離調手段は、スリーブ２０，２０Ａ、仕切板２５及び音響ダンパ３０を単独で採用してもよいし、あるいは、適宜組み合わせて用いるなど、各実施形態で説明した以外の組合せも可能である。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係るガスタービン燃焼器の一実施形態を示す図で、（ａ）は第１の実施形態を示す断面図、（ｂ）はスリーブの変形例を示す斜視図である。 本発明に係るガスタービン燃焼器の第２の実施形態を示す断面図である。 本発明に係るガスタービン燃焼器の第３の実施形態を示す模式図である。

符号の説明

１ ガスタービン燃焼器
１０ 燃焼器ユニット
１８ 燃焼用空気入口部
２０，２０Ａ スリーブ（共鳴周波数離調手段）
２１ 孔
２５ 仕切板（共鳴周波数離調手段）
３０ 音響ライナ（共鳴周波数離調手段）

Claims (5)

1. 周方向に配列された複数の燃焼器ユニットを備えているガスタービン燃焼器において、
   前記燃焼器ユニット毎の共鳴周波数を離調させる共鳴周波数離調手段が設けられていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
2. 前記共鳴周波数離調手段が、前記燃焼器ユニットの燃焼空気入口部に設けられて少なくともひとつの長さを変化させたスリーブを備えていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン燃焼器。
3. 前記スリーブに多数の孔を穿設して多孔構造としたことを特徴とする請求項２に記載のガスタービン燃焼器。
4. 前記共鳴周波数離調手段が、車室内壁から中心方向へ延びて隣接する燃焼器ユニット間を仕切るように配設された板部材を備えていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン燃焼器。
5. 前記共鳴周波数離調手段が、前記燃焼器ユニットの外周に設けられ、隣接する燃焼器ユニット毎に異なる音響特性の燃焼振動抑制用共鳴空間を備えていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン燃焼器。

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