JP2011530689A

JP2011530689A - ヘルムホルツ共鳴器の調節のための方法及び該方法の実施のためのヘルムホルツ共鳴器

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Publication number: JP2011530689A
Application number: JP2011522467A
Authority: JP
Inventors: スフアマンスブルーノ; ヘラートヤーン
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2008-08-14
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2011-12-22
Anticipated expiration: 2029-07-30
Also published as: US20110139541A1; JP5528447B2; US8205714B2; EP2318672A1; CH699322A1; WO2010018069A1

Abstract

本発明は、ヘルムホルツ共鳴器（１０）の調節のための方法であって、少なくとも１つの共鳴容積（１１）を含み、共鳴容積は、軸線（２９）に沿って、音響抵抗を有する狭窄部（１２）を介して、減衰すべき室（１３）に接続されている形式のものに関し、ヘルムホルツ共鳴器（１０）の調節のために、狭窄部（１２）の音響抵抗を変化させる。

Description

本発明は、燃焼技術分野に関し、特にガスタービンに関する。本発明は、請求項１の上位概念に記載の形式のヘルムホルツ共鳴器の調節のための方法、並びに該方法の実施のためのヘルムホルツ共鳴器に関する。

ガスタービンの燃焼室における脈動を減衰するためにヘルムホルツ共鳴器を使用することは、既に種々に提案されている（例えば、ドイツ連邦共和国特許出願公告第１９６４０９８０Ｂ４号明細書）。互いに前後に接続された複数の共鳴容積を有していて、種々の周波数を減衰するヘルムホルツ共鳴器も、公知である（例えば、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００５０６２２８４Ａ１号明細書）。

上記減衰システムの作用は、各減衰器の共鳴振動数を中心とする狭い振動数範囲に限られている。該システムの減衰特性は、共鳴容積と減衰すべき室、特にガスタービンの燃焼室とを接続する狭窄部の音響抵抗の関数によって表される。狭窄部の音響抵抗は、狭窄部内における流れ速度及び圧力損失係数の関数によって表されるものである。１つの共鳴容積しか有していないヘルムホルツ共鳴器にとって、共鳴振動数は、狭窄部内の音響抵抗との弱い依存性しか有していない。これに対して、２つの共鳴容積を有するヘルムホルツ共鳴器にとって、共鳴振動数は、狭窄部内の音響抵抗と極めて強い依存性を有している。

一般的に用いられるヘルムホルツ共鳴器は、できるだけ大きな減衰効果を得るために、燃焼室内に実際に発生する脈動に合わせて調節されるようになっている。ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００５０６２２８４Ａ１号明細書に記載の技術において、調節は、共鳴容積内に調節可能なピストンを配置することによって行われている。このような機械的な調節は、煩雑な構成を必要とし、かつ閉ループ制御に適していない。

本発明の課題は、ヘルムホルツ共鳴器の調節のための方法を提供して、該方法によりヘルムホルツ共鳴器を減衰すべき脈動に対応して簡単に調節することができるようにし、かつ該方法を実施できるヘルムホルツ共鳴器を形成することである。

上記課題を解決するために、本発明によれば、ヘルムホルツ共鳴器の調節のための方法であって、ヘルムホルツ共鳴器は、少なくとも１つの共鳴容積（共鳴空間又は共鳴室）を含んでおり、共鳴容積は、ヘルムホルツ共鳴器の軸線に沿って、音響抵抗を有する狭窄部を介して、例えば燃焼室のように脈動を減衰すべき室に接続されている形式のものにおいて、ヘルムホルツ共鳴器の調節のために、共鳴容積と減衰すべき室とを接続する狭窄部の音響抵抗を変化させるようになっている。狭窄部の音響抵抗の変化、つまり調節は、
１）１つの共鳴容積しか有さないヘルムホルツ共鳴器において共鳴器抵抗の調節、（ひいては共鳴器の減衰特性の最適な調節）を可能にし、
２）２つの共鳴容積を有するヘルムホルツ共鳴器において共鳴器振動数及び抵抗の調節を可能にするものである。

狭窄部の音響抵抗は、２つの手段で調節され得るものであり：
１）共鳴システム内への２つの空気入口、それも軸線方向空気入口及び接線方向空気入口を介した空気の吹き込みによって行われ、軸線方向空気入口は、掃気流空気若しくは通気流空気とも称される空気を共鳴システムの（長手方向若しくは縦方向の）軸線の方向に吹き込むものであり、接線方向空気入口は、空気（掃気流空気）を、軸線を中心とする円周に対する接線の方向に吹き込むものである。接線方向に吹き込まれる空気のパルスと軸線方向に吹き込まれる空気のパルスとの比により、共鳴容積及び狭窄部内のスワール流（旋回しながら進む流れ、旋回流又はねじれ流）のスワール数（[swirl number]、旋回数又はねじれ数）が規定される。この場合に狭窄部内の音響抵抗は、スワール数の関数により求められる。
２）狭窄部の上流側の端部に設けられるスワール発生装置（旋回流発生装置）を用いて行われる。スワール発生装置により狭窄部内に発生するスワール流は、狭窄部の下流側の端部における急激な拡張に基づき、周知のようにいわゆる渦流崩壊（vortex breakdown）を起こすことになる。明らかなように、渦流崩壊のメカニズムは、スワール数に左右される圧力損失係数と関連して示される。この例では、スワール数を、狭窄部内へ吹き込まれる軸線方向空気の比の減少によって調節することができる。

本発明の方法に係る形態によれば、狭窄部の音響抵抗は、共鳴容積及び狭窄部内におけるスワール数を変化させることにより変化させられる。

本発明に係る有利な形態によれば、少なくとも１つの共鳴容積内に、ヘルムホルツ共鳴器の軸線の方向の軸線方向空気及び軸線を中心とする円周に対する接線の方向の接線方向空気が吹き込まれるようになっており、スワール数の変化のために、軸線方向空気の質量流と接線方向空気の質量流との比が変化される。

本発明の方法に係る別の形態によれば、少なくとも１つの共鳴容積内に、ヘルムホルツ共鳴器の軸線の方向の軸線方向空気及び軸線を中心とする円周に対する接線の方向の接線方向空気が吹き込まれるようになっており、軸線方向空気により、狭窄部の上流側の端部に配置されたスワール発生装置が負荷され、つまり、スワール発生装置は、流過する軸線方向空気の質量流にスワール（旋回若しくはねじり）を与えるようになっており、スワール数の変化のために、軸線方向空気の質量流が変化される。

軸線方向空気の質量流と接線方向空気の質量流との割合は、３つの手段で制御され得るものであり：
１）軸線方向空気入口及び接線方向空気入口の流れ横断面の変化によって制御される。圧力降下は、減衰器にとって一定であるので、質量流は入口の流れ横断面に比例している。
２）弁（制御弁）によって制御される。
３）流体式の制御装置（いわゆる流体作動型要素）によって制御される。このような要素は、トランジスターの担体流れ動作と同様に、少量の空気を用いて主空気流を制御するものである。この場合に流体作動型要素は、ヘルムホルツ共鳴器若しくはスワール発生装置内に組み込まれた構成部分であってよいものである。

ヘルムホルツ共鳴器の振動数及び抵抗を調節する本発明に基づく手段は、閉じられた制御ループにおいて、ガスタービンの燃焼室内の脈動量を制御するために用いられる。このようなシステムは、調節可能なヘルムホルツ共鳴器及び、接線方向空気と半径方向空気との間の比の決定のための制御装置を含むことになる。制御装置は、測定された脈動の振動数及び振幅に基づき比を決定するものである。

本発明の方法に係る別の形態によれば、狭窄部の音響抵抗の変化は、減衰すべき室内で測定された脈動信号に基づき行われる。

本発明に係るヘルムホルツ共鳴器は少なくとも１つの共鳴容積を含んでおり、共鳴容積は、ヘルムホルツ共鳴器の軸線に沿って狭窄部を介して、減衰すべき室若しくは燃焼室に接続されるようになっており、狭窄部は予め規定された音響抵抗を有しており、ヘルムホルツ共鳴器は、狭窄部の音響抵抗の調節のための手段を含んでいる。

本発明に係る有利な形態のヘルムホルツ共鳴器において、狭窄部の音響抵抗の調節のための手段は、ヘルムホルツ共鳴器の軸線の方向への空気の吹き込みのための軸線方向空気入口、及び軸線を中心とする円周に対する接線の方向への空気の吹き込みのための接線方向空気入口を含んでいる。

有利な形態によれば、狭窄部の音響抵抗は、軸線方向空気入口から吹き込まれる空気と接線方向空気入口から吹き込まれる空気との比の変化によるスワール数に基づき変化されるようになっている。特に有利な形態によれば、軸線方向空気入口及び／又は接線方向空気入口の流れ横断面が変化されるようになっている。

本発明に係る有利な形態によれば、軸線方向空気入口から吹き込まれる空気と接線方向空気入口から吹き込まれる空気との比を変化させるために、少なくとも１つの制御弁を設けてある。別の形態によれば、軸線方向空気入口から吹き込まれる空気と接線方向空気入口から吹き込まれる空気との比を変化させるために、流体により作動可能な制御装置、つまり流体式の制御装置を設けてある。

有利な形態によれば、少なくとも１つの制御弁若しくは流体式の制御装置の制御のために、制御部を設けてあり、該制御部の入力部が、減衰すべき室若しくは燃焼室内で測定された脈動信号によって負荷されるようになっており、つまり脈動信号は制御部の入力部に導入されるようになっている。

本発明に係る別の形態のヘルムホルツ共鳴器において、狭窄部の音響抵抗は、狭窄部の上流側の端部に配置されていてかつ軸線方向空気入口から軸線方向に吹き込まれる空気で負荷可能なスワール発生装置によりスワール数に基づき変化されるようになっている。

本発明に係る別の形態によれば、ヘルムホルツ共鳴器は唯一の共鳴容積を有しており、軸線方向空気入口は、共鳴容積の、狭窄部と相対する側に配置されており、接線方向空気入口は、実質的に狭窄部と軸線方向空気入口との間の中間で、空気を共鳴容積内に吹き込むようになっている。

本発明に係る更に別の形態によれば、ヘルムホルツ共鳴器は、それぞれ狭窄部を有していてかつヘルムホルツ共鳴器の軸線に沿って互いに前後に接続された少なくとも２つの共鳴容積を含んでおり、少なくとも第１の共鳴容積は、軸線の方向への空気の吹き込みのための軸線方向空気入口及び軸線を中心とする円周に対する接線の方向への空気の吹き込みのための接線方向空気入口を有している。

特に有利な形態では、第２の共鳴容積も、ヘルムホルツ共鳴器の軸線の方向への空気の吹き込みのための軸線方向空気入口及びヘルムホルツ共鳴器の軸線を中心とする円周に対する接線の方向への空気の吹き込みのための接線方向空気入口を有している。

同様に有利な形態では、両方の共鳴容積は、狭窄部の上流側の端部に配置された旋回流形成装置を有している。

次に、本発明を図示の実施形態に基づき詳細に説明する。

本発明の第１の実施形態に係る、１つの共鳴容積を有する調節可能なヘルムホルツ共鳴器を軸線方向の平面図（ａ）及び側面図（ｂ）で概略的に示す図である。本発明の第２の実施形態に係る、軸線方向で前後に配置された２つの共鳴容積を有する調節可能なヘルムホルツ共鳴器を側面図で概略的に示す図であり、第１の共鳴容積の特性が調節可能である。本発明の第３の実施形態に係る、軸線方向で前後に配置された２つの共鳴容積を有する調節可能なヘルムホルツ共鳴器を側面図で概略的に示す図であり、第１の共鳴容積の狭窄部に、軸線方向空気により負荷可能なスワール発生装置が配置されている。本発明の、図３に示す実施形態に類似する第４の実施形態を側面図で概略的に示す図であり、スワール発生装置のための軸線方向空気は、制御弁を介して脈動信号に基づき制御されるようになっている。本発明の、図２に示す実施形態に類似する第５の実施形態を側面図で概略的に示す図であり、軸線方向空気及び接線方向空気は、流体式の制御装置を介して脈動信号に基づき制御されるようになっている。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る調節可能なヘルムホルツ共鳴器を、該ヘルムホルツ共鳴器の軸線２９の方向で見た正面図（図１（ａ））、及び側面図（図１（ｂ）で概略的に示している。ヘルムホルツ共鳴器１０は、共鳴容積１１を有しており、該共鳴容積は、狭窄部１２を介して、減衰すべき１つの室に、本実施形態ではガスタービン（図示省略）の燃焼室に接続されている。ヘルムホルツ共鳴器１０は、軸線２９に沿って延びている。共鳴容積１１及び狭窄部１２は円筒の形状を有している。他の形状も考えられる。特に、狭窄部は、渦流崩壊作用を強めるために、ディフューザーとして形成されていてよい。寸法は、燃焼室内で発生する振動数に基づき規定される。

狭窄部１２内の音響抵抗を調節するために、共鳴容積１１に２つの空気入口１４，１５を設けてある。狭窄部１２と対向して配置された軸線方向空気入口１４を介して、空気は、軸線方向に共鳴容積１１内へ吹き込まれる。軸線方向空気入口１４と狭窄部１２とのほぼ中間で側部に配置された接線方向空気入口１５を介して、空気は、接線方向に共鳴容積１１内へ吹き込まれる。吹き込まれる軸線方向空気のパルスと接線方向空気のパルスとの比により、共鳴容積１１及び狭窄部１２内における流れのスワール数（旋回数）が規定され、ひいては狭窄部１２内においてスワール数に依存する音響抵抗が規定されることになる。軸線方向空気と接線方向空気とのパルス比は、例えば、軸線方向空気入口１４及び／又は接線方向空気入口１５の流れ横断面を変化させることにより変えられるようになっている。このことは、例えば、開口部直径の異なる絞りを装着することによって、若しくは内径の変化可能な絞り若しくはアイリス絞りを用いることによって行われる。

１つの共鳴容積の代わりに、軸線方向に並べて接続された２つの共鳴容積を設けることも可能である。２つの共鳴容積を備えるヘルムホルツ共鳴器の本発明に係る１つの実施形態が、図２に示してある。図２に示すヘルムホルツ共鳴器２０において、下流の第１の狭窄部１２を有する第１の共鳴容積１１と燃焼室１３との間に、第２の狭窄部１７を有する第２の共鳴容積１６が配置されている。この場合に調節は、同じく第１の共鳴容積１１における軸線方向空気入口１４及び接線方向空気入口１５によって行われる。両方の共鳴容積１１，１６及び狭窄部１２，１７は、大きさと形状に関して互いに同じに形成されていてよいものである。別の実施形態では、図２に示してあるように、共鳴容積及び狭窄部の大きさ及び形状は互いに異なって形成されている。共鳴容積１１に加えて、共鳴容積１６も、軸線方向空気入口及び接線方向空気入口を備えていてよく、このことは、図３に破線及び符号１５′，１８′によって示されている。

図３に示すヘルムホルツ共鳴器２０ａは、図２に示すヘルムホルツ共鳴器２０の変化例を成すものである。該変化例のヘルムホルツ共鳴器も、相応の狭窄部１２，１７を有していてかつ互いに前後に接続され、つまり互いに直列に接続された２つの共鳴容積１１，１６を含んでいる。図２のヘルムホルツ共鳴器とは異なって、第１の狭窄部１２の上流側の端部にスワール発生装置（スワーラー[swirler]）１９を設けてあり、該スワール発生装置は、狭い軸線方向空気入口１８を介して軸線方向空気で負荷され、つまり、軸線方向空気は前記スワール発生装置を通って流れるようになっている。軸線方向空気により渦流崩壊作用に基づきスワール数を変化させることも可能である。第２の共鳴容積１６も、接線方向空気入口１５′及び／又はスワール発生装置１９′を備えていてよいものである。

本発明に係るヘルムホルツ共鳴器は、図４及び図５に示してあるように、閉じた制御回路の構成部分を成していてよいものである。図４に示す実施形態において、ヘルムホルツ共鳴器２０ｂは、同じく、互いに前後に接続された２つの共鳴容積１１，１６を含んでおり、該各共鳴容積は、該各共鳴容積に配設された狭窄部１２，１７を有している。調節のために、軸線方向空気入口１８を備えたスワール発生装置１９及び接線方向空気入口１５が設けられている。軸線方向空気入口の質量流は、軸線方向空気入口１８の前に配置された制御弁２１によって制御されるようになっている。制御弁２１は、制御部２２によって制御されるようになっており、該制御部は、燃焼室１３内で検出された脈動信号を入力側で受け取るようになっている。制御部２２のアルゴリズムは、脈動の大きさを減少させるように構成されている。

図５に示す実施形態において、軸線方向空気及び接線方向空気の質量流は、操作又は作動が流体により生ぜしめられる流体式の制御装置（流体作動型要素）２４を用いて、制御空気２６の小さな流れによって制御されるようになっている。空気は、１つの空気供給部２８を介して供給されて、制御空気の流れの値若しくは流量値に応じて分配されるようになっている。制御空気２６は制御弁２５を介して制御されるようになっており、該制御弁は、制御部２７を用いて、燃焼室１３からの脈動信号２３に基づき制御されるようになっている。

本発明に係るヘルムホルツ共鳴器は、ガスタービンの燃焼室の減衰のために有利に用いられるものであり、燃焼室内に発生している脈動に適合させるためのヘルムホルツ共鳴器の調節は、前述の形式で行われ、或いは閉ループ制御若しくはフィードバック制御により自動的に行われるようになっている。

１０ヘルムホルツ共鳴器、１１共鳴容積、１２狭窄部、１３ガスタービン等の燃焼室、１４軸線方向空気入口、１５接線方向空気入口、１６共鳴容積、１７狭窄部、１８，１８′ 軸線方向空気入口、１９，１９′ スワール発生装置、２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃヘルムホルツ共鳴器、２１制御弁、２２制御部、２４制御装置、２５制御弁、２６制御空気、２７制御部、２８空気供給部、２９軸線

Claims

ヘルムホルツ共鳴器（１０，２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）の調節のための方法であって、前記ヘルムホルツ共鳴器は、少なくとも１つの共鳴容積（１１，１６）を含んでおり、該共鳴容積は、軸線（２９）に沿って、音響抵抗を有する狭窄部（１２，１７）を介して、減衰すべき室（１３）に接続されている形式のものにおいて、ヘルムホルツ共鳴器（１０，２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）の調節のために、狭窄部（１２，１７）の音響抵抗が変化されることを特徴とする、ヘルムホルツ共鳴器の調節のための方法。
狭窄部（１２，１７）の音響抵抗は、共鳴容積（１１，１６）及び狭窄部（１２，１７）におけるスワール数を変化させることにより変化させられる請求項１に記載の方法。
少なくとも１つの共鳴容積（１１，１６）内に、軸線（２９）の方向の軸線方向空気及び軸線（２９）を中心とする円周に対する接線の方向の接線方向空気が吹き込まれるようになっており、スワール数の変化のために、軸線方向空気の質量流と接線方向空気の質量流との比が変化される請求項２に記載の方法。
少なくとも１つの共鳴容積（１１，１６）内に、軸線（２９）の方向の軸線方向空気及び軸線（２９）を中心とする円周に対する接線の方向の接線方向空気が吹き込まれるようになっており、軸線方向空気により、狭窄部（１２，１７）の上流側の端部に配置されたスワール発生装置（１９）が流過され、スワール数の変化のために、軸線方向空気の質量流が変化される請求項２に記載の方法。
狭窄部（１２，１７）の音響抵抗の変化は、減衰すべき室（１３）内で測定された脈動信号（２３）に基づき行われる請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
請求項１から５のいずれか１項に記載の方法を実施するためのヘルムホルツ共鳴器（１０，２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）であって、少なくとも１つの共鳴容積（１１，１６）を含んでおり、該共鳴容積は、軸線（２９）に沿って狭窄部（１２，１７）を介して、減衰すべき室、特に燃焼室（１３）に接続されるようになっており、狭窄部（１２，１７）は予め規定された音響抵抗を有している形式のものにおいて、ヘルムホルツ共鳴器（１０，２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）は、狭窄部（１２，１７）の音響抵抗の調節のための手段（１４，１５，１８，１９）を含んでいることを特徴とする、ヘルムホルツ共鳴器。
狭窄部（１２，１７）の音響抵抗の調節のための手段は、軸線（２９）の方向への空気の吹き込みのための軸線方向空気入口（１４，１８）、及び軸線（２９）を中心とする円周に対する接線の方向への空気の吹き込みのための接線方向空気入口（１５）を含んでいる請求項６に記載のヘルムホルツ共鳴器。
狭窄部（１２，１７）の音響抵抗は、軸線方向空気入口（１４）から吹き込まれる空気と接線方向空気入口（１５）から吹き込まれる空気との比の変化によるスワール数に基づき変化されるようになっている請求項７に記載のヘルムホルツ共鳴器。
軸線方向空気入口（１４）及び／又は接線方向空気入口（１５）の流れ横断面が変化されるようになっている請求項８に記載のヘルムホルツ共鳴器。
軸線方向空気入口（１４）から吹き込まれる空気と接線方向空気入口（１５）から吹き込まれる空気との比を変化させるために、少なくとも１つの制御弁（２１）を設けてある請求項８に記載のヘルムホルツ共鳴器。
軸線方向空気入口（１４）から吹き込まれる空気と接線方向空気入口（１５）から吹き込まれる空気との比を変化させるために、流体式の制御装置（２４）を設けてある請求項８に記載のヘルムホルツ共鳴器。
少なくとも１つの制御弁（２１）若しくは流体式の制御装置（２４）の制御のために、制御部（２２，２７）を設けてあり、該制御部の入力部が、減衰すべき室、特に燃焼室（１３）内で測定された脈動信号（２３）を受け取るようになっている請求項１０又は１１に記載のヘルムホルツ共鳴器。
狭窄部（１２，１７）の音響抵抗は、狭窄部（１２，１７）の上流側の端部に配置されていてかつ軸線方向空気入口（１８）から軸線方向に吹き込まれる空気で流過されるスワール発生装置（１９）によりスワール数に基づき変化されるようになっている請求項７に記載のヘルムホルツ共鳴器。
ヘルムホルツ共鳴器（１０）は唯一の共鳴容積（１１）を有しており、軸線方向空気入口（１４）は、共鳴容積（１１）の、狭窄部（１２）と相対する側に配置されており、接線方向空気入口（１５）は、狭窄部（１２）と軸線方向空気入口（１４）との間のほぼ中間で、空気を共鳴容積（１１）内に吹き込むようになっている請求項７に記載のヘルムホルツ共鳴器。
ヘルムホルツ共鳴器（２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）は、それぞれ配設の狭窄部（１２，１７）を有していてかつ互いに軸線（２９）に沿って前後に接続された少なくとも２つの共鳴容積（１１，１６）を含んでおり、少なくとも第１の共鳴容積（１１）は、軸線（２９）の方向への空気の吹き込みのための軸線方向空気入口（１４，１８）及び軸線（２９）を中心とする円周に対する接線の方向への空気の吹き込みのための接線方向空気入口（１５）を有している請求項７に記載のヘルムホルツ共鳴器。
第２の共鳴容積（１６）も、軸線（２９）の方向への空気の吹き込みのための軸線方向空気入口（１８′）及び軸線（２９）を中心とする円周に対する接線の方向への空気の吹き込みのための接線方向空気入口（１５′）を有している請求項１５に記載のヘルムホルツ共鳴器。
両方の共鳴容積（１１，１６）は、狭窄部（１２，１７）の上流側の端部に配置されたスワール発生装置（１９，１９′）を有している請求項１６に記載のヘルムホルツ共鳴器。