JP2012002500A - ダンパ機構およびこのダンパを構成するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のヘルムホルツダンパ機構に関する技術的問題を扱うダンパ機構とこのダンパ機構を構成するための方法を提供することである
【解決手段】 少なくとも一つの第一のヘルムホルツダンパ（１１）を備えており、この
第一のヘルムホルツダンパが第二のヘルムホルツダンパ（１２）に直列に接続しているダンパ機構（１０）において、少なくとも一つの第一のヘルムホルツダンパ（１１）と第二のヘルムホルツダンパ（１２）の共振周波数が、相乗ダンピング効果をもたらす量で互いに移動することにより解決される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ダンパ機構とこのダンパ機構を構成するための方法に関する。

特に以下において、直列に接続され、かつガスタービンの燃焼室内で発生する恐れがある圧力振動あるいは脈動をダンピングするのに使用される、二つあるいは三つ以上のヘルムホルツダンパを備えたダンパ機構に関して説明する。

ガスタービンは、一つあるいは複数の燃焼室を備えていることが知られており、燃料は噴射され、空気流に混合され、そして燃焼され、タービン内で膨張する高圧煙道ガスを発生させる。

運転時に、燃焼室に関する機械的かつ熱的損傷を起こし、かつ運転管理を制限するかもしれない圧力振動が発生する恐れがある。

この理由で、通常燃焼室は１／４波長管（quarter wave tube）、ヘルムホルツダンパ、あるいは音響スクリーン（acoustic screen）のようなダンピング装置を備えており、これらの圧力振動をダンピングする。

図１に関して、従来のヘルムホルツダンパ１はエンクロージャ２を備えており、このエンクロージャは共振容積室（resonance volume）３と燃焼室５に接続すべき頚部４を規定しており、燃焼とおそらくダンピングすべき圧力振動が生じる（符号６は燃焼室５の壁を示す）。

ヘルムホルツダンパの共振周波数（すなわちダンピングされる周波数）は、共振容積室３と頚部４の形状的特徴に依存し、かつ燃焼室５内で発生した圧力振動の周波数に相応しなければならない。

様々な周波数を有する圧力振動を処理するために、二つあるいはそれ以上のヘルムホルツダンパが使用される。

例えば特許文献１には直列に接続された二つあるいはさらにそれ以上のへルムホルツダンパを有するダンパ機構が開示されている。すなわちへルムホルツダンパの頚部は別のへルムホルツダンパの容積室に接続している。このような機構は、例えば１５Ｈｚと９０Ｈｚのような異なる離れた周波数を有するダンピング圧力共振がかなり効率的であることがわかった。

それにもかかわらず、周波数圧力振動はガスタービンからガスタービンへとわずかに変化し、さらに同じガスタービンに関しても、ガスタービンの運転時にわずかに変化することもある（例えば部分負荷、基本負荷、移行）。

（ヘルムホルツダンパがよく使用される）低周波数領域では、ヘルムホルツダンパのダンピング周波数帯域幅が極めて狭いので、燃焼室内で発生した圧力振動のこのような周波数移動は、燃焼室に接続され、かつ全く役に立たない予め決められた設計共振周波数を有するヘルムホルツダンパを表すのかもしれない。

これらの場合、従来から共振周波数を合わせるためのシステムが使用される。

例えばヘルムホルツダンパは調節可能な容積室を有して開発されてきた。

特許文献２にはテレスコープ式に取付けられた二つのカップ形状の管状体を有するヘルムホルツダンパが開示されている。

特許文献３には、共振容積室がガスを噴出もしくは吹き出すことにより、大きさが変化する可撓な中空部材を収容するヘルムホルツダンパが開示されている。可撓な中空部材の大きさを変えることにより、共振容積室の大きさを変えることができる。

特許文献４には共振容積室が固定された一つのダンピング容積室と一つの可変式容積室に分割されたヘルムホルツダンパが開示されている。可変式容積室は調節可能なピストンを用いて調節されてもよい。

代替として、共振周波数の同調はヘルムホルツダンパの頚部を調節することにより達せられる。

これに関して、特許文献５には頚部の横断面が調節されるヘルムホルツダンパが開示されている。

特許文献６には頚部を一つ有するヘルムホルツダンパが開示されており、頚部の長さはその口部に対して孔の開いた板をオーバーラップさせることにより調節される。

これらの解決手段はすべてかなり複雑であることがわかった。さらに、これらの解決手段だと、ヘルムホルツダンパの共振周波数の緻密な同調が、燃焼室内の周波数圧力振動の小さな移動に追従できない。

独国特許出願公開第１０２００５０６２２８４号明細書 国際特許出願公開第２００５／０５９４４１号明細書 欧州特許第１１５８２４７号明細書 米国特許出願公開第２００５／０１０３０１８号明細書 欧州特許第０７２４６８４号明細書 欧州特許２５１第１６２４２５１号明細書

従って、本発明の技術的課題は、先に挙げた公知技術の問題を扱うダンパ機構とこのダンパ機構を構成するための方法を提供することである。

この技術的課題の範囲内における、本発明の側面は、特にヘルムホルツダンパで作られた従来のダンパ機構の帯域幅と比較した際に、広い帯域幅での圧力振動のダンピングが可能になるダンパ機構ならびにこのダンパ機構構成するための方法を提供することである。

本発明の別の側面は、緻密な同調の必要性が全く無いかあるいは限定されている圧力振動の周波数移動を上手く処理することができるダンパ機構を提供することである。

本発明の他の側面は、特に先に述べた従来のダンパ機構と比べた際に、極めて複雑でないダンパ機構を提供することである。

この技術的課題は、これらの側面および別の側面と共に、添付の請求項によるダンパ機構ならびにこのダンパ機構を構成するための方法を提供することにより、本発明により達せられる。

本発明を図に基づいて詳細に説明する。

ヘルムホルツダンパの概略図である。 本発明の様々な実施例における、ヘルムホルツダンパの様々な機構を示す図である。 本発明の様々な実施例における、ヘルムホルツダンパの様々な機構を示す図である。 本発明の様々な実施例における、ヘルムホルツダンパの様々な機構を示す図である。 テスト運転に役立つヘルムホルツダンパの別の機構を示す図である。 ヘルムホルツダンパの容積室を規定するためにシリンダ内に挿入されたピストンの詳細を示した図である。 ヘルムホルツダンパの容積室を規定するためにシリンダ内に挿入されたピストンの詳細を示した図である。 様々なヘルムホルツダンパ機構の反射率の大きさを示した図である。 様々なヘルムホルツダンパ機構の反射率の大きさを示した図である。 無次元数ｑの関数としての正常化された周波数を示す図である。

図２〜９に関して、これらの図は第二のヘルムホルツダンパに直列に接続している第一のヘルムホルツダンパ１１を備えたダンパ機構１０を示す。

第一のヘルムホルツダンパ１１の共振周波数と第二のヘルムホルツダンパの共振周波数は互いに近いか、あるいはかなり近く、特にこれら二つの共振周波数は相乗ダンピング効果をもたらしている範囲内で互いに変化する。

ヘルムホルツダンパの共振周波数は、次の関係が満たされると互いに近似している。
（数式１） ＣＬ＝（ω_１−ω_２）^２／（ω_１×ω_２）≦１

特に「極めて近似している」とは、ＣＬ≪１であることを意味しており、この場合、ＣＬ≪１とは１よりも少なくとも一桁小さいことを意味する。

第二のヘルムホルツダンパ１２は、チャンバ１５の内部に接続可能な第二の容積室１３と第二の頚部１４を備えており、減衰されるべき圧力振動が生じるおそれがある（例えばガスタービンの燃焼室）。そして第一のヘルムホルツダンパ１１は、第二の容積室１３に接続した第一の減衰容積室１６と第一の頚部１７を有している。

第一の減衰容積室１６および／または第二の容積室１３が可変の容積であると有利である。

特に図に示したように、滑動可能なピストン２１を収容している一つのシリンダ２０は、ピストン２１の一方の側で第一の減衰容積室１６を規定し、ピストン２１の他方の側で第二の容積室１３を規定している。さらにピストン２１は第一の頚部１７も規定している。図示したように、第一の頚部１７はピストン２１内の複数の孔により規定されている。

図２〜４は本発明の様々な実施例を示す。

図２はシリンダ２０がピストン２１でもって二つの容積を規定する実施例を示す。この実施例では空気を冷却するための入口２４も示してある。

加えて、ピストンは棒体２５を備えており、この棒体は棒体を動かし、かつ矢印Ｆで示したようにその位置を調節するためにピストン２１に接続している。この調節により、容積１６と１３が調節される。

図３は図２の実施例に似た実施例を示す。図３において、同じ参照符号は図におけるような同じかあるいは類似の構成部材を示す。

特に図３の実施例はピストン２１内に四つの第一の頚部１７を備えている（二つの頚部だけが示してある）。もちろん様々な数量の頚部が使用されていてもよい。

図４は図２および３の実施例に似た、機構の別の実施例を示しており、同じ参照符号は同じかあるいは類似の構成部材を示す。

特に図４の機構は二つのピストンを備えたシリンダ２０を有している。第一のピストン２１ａは第一および中間の容積室１６，２６を規定し、かつ四つの第一の頚部１７ａを有している（二つの頚部のみ示してある）。第二のピストン２１ｂは第二の容積室１３と中間の容積室２６を規定し、かつ一つの中間の頚部１７ｂを有している。したがって、中間の容積室２６は第一および第二のピストン１７ａ，１７ｂの間で規定されており、第二の容積室１３は第二の頚部１７ｃを経由してチャンバ１５に内部に接続している。

この実施例において、ピストン２１ａ，２１ｂは各々、棒体２８ａ，２８ｂに接続している（例えばピストン２１ａに接続した孔の開いた棒体２８ａは、ピストン２１ｂに接続した第二の棒体２８ｂを収容している）。

これによりピストン２１ａ，２１ｂ両方の調節が互いに独立して可能になり、従って容積室１６，２６，１３の調節も互いに独立して可能になる。

図５は本発明の機構の別の実施例を示す。

この実施例は図４の実施例に似ており、同じ参照符号は同じかあるいは類似の構成部材を示す。

さらに図５の実施例において、棒体２８ａ，２８ｂは各々、その位置を調節するためにアクチュエータ２９に接続している。アクチュエータは圧力振動センサ（pressure pulsation sensors）３１に接続した制御ユニット３０に接続しており、かつこの制御ユニットにより駆動されている。

頚部１７および／または１７ａおよび／または１７ｂは、様々な横断面を有していると有利である。

この点において、図６と７はピストン２１の一例を示しており、このピストンは互いに重なり合うように滑動可能な二つの部材３３，３４を有しており、かつ各々が配列調整可能な孔３５，３６を備えている。すなわち、部材３３，３４は孔３５，３６の少なくとも一部が整列されるように回転する。様々な横断面を備えた頚部１７は、部材３３，３４の整列された孔３５，３６により規定されている。

図５に示した機構は、試験運転に特に適応している。

この場合、圧力振動を発生するチャンバ１５を備えた装置が作動する間、センサ３１は燃焼室１５内で発生した圧力振動を検出し、かつ制御ユニット３０に表示する信号を検出する。圧力振動が広い大域幅で減衰するまで、制御ユニット３０はアクチュエータ２９を作動させて、ピストン２１ａ，２１ｂを調節する。

この点で、機構を規定しているヘルムホルツダンパ（すなわち容積室１３と頚部１７ｃ；
容積室２６と頚部１７ｂ；容積室１６と１７ａにより規定されたヘルムホルツダンパ）の共振周波数が、相乗ダンピング効果をもたらす範囲内で互いに極めて近いように、制御ユニット３０とアクチュエータ２９はピストン２１ａ，２１ｂを駆動する。

アクチュエータ２９、制御ユニット３０およびセンサ３１は、図２〜４に示したようにダンパ機構に接続されていてもよいことは当然である。この場合、単一ピストン２１の位置だけが調節されるべきである。

その後（すなわち広い大域幅が可能になる特殊な配列が得られると）、ピストン２１あるいはピストン２１ａ，２１ｂは、シリンダ２０に溶接されて、ダンパ機構１０を作る。

本発明はダンパ機構を構成するための方法にも関する。

本方法は、少なくとも一つの第一のヘルムホルツダンパ１１を備え、この第一のヘルムホルツダンパが第二のヘルムホルツダンパ１２に直列に接続していること、および
相乗ダンピング効果をもたらす移動量が見つかるまで、第一のヘルムホルツダンパ１１の共振周波数と第二のヘルムホルツダンパ１２の共振周波数を互いに対して移動させることを特徴とする。

特にダンパ機構のヘルムホルツダンパの共振周波数は、互いに移動されて、相乗ダンピング効果をもたらす小さい移動量を見つけ出す。

第一および／または第二の容積室１６，１３を調節することにより、および／または第一の頚部の横断面を調節することにより移動量が得られ、第一の頚部を流れる流速を調節する。頚部内部の流速を適切に調節することにより、広帯域の特性が調節できる。

ダンピング装置の広帯域特性は無次元値ｑに依存しており、以下のように定義される。
（数式２） ｑ＝（ω_０×Ｌ_Ｎ）／（ζ×ｕ_Ｎ）
二つの容積室から成るダンパの例ω_０は、単一ダンパの単一周波数手段であり、Ｌ_Ｎは中間頚部の長さであり、ζは中間頚部の損失係数であり、そしてｕ_Ｎは中間頚部の内部の流速である。

図１０はｑ因子の関数としての効果的なダンピングのための正常化された周波数帯域幅を示す。ダンパ機構はｑ^＊で最大の広帯域を有しており、主たる複数のパラメータはそれらの最適な値に調節される。

テストにより、本発明の実施例における機構が、相乗ダンピング効果を有しており、これにより広いダンピングの帯域幅が得られることがわかった。

図８は異なるヘルムホルツダンパの反射率の大きさを示したグラフを示す。

パイプがパイプの軸線に対して垂直な壁により一方の端部で閉鎖されているという条件でグラフは描かれている。さらにダンパ機構は壁にかつ他方の端部で接続している（すなわちパイプの開口した端部で圧力振動源（例えばラウドスピーカー）が設けられている）。

従って、圧力振動は発生しかつ壁に向かっている。壁に衝突すると、圧力振動の一部が（ダンパ機構により）ダンピングされ、かつ一部は反射される。反射した圧力振動が大きいほど、ダンパ機構のダンピング効率は悪くなり、従って図８のグラフにおける１に近い反射率の大きさの値は弱いダンピング効果を示しているが、小さい値（すなわち１より小さくかつできれば０に近い）は、良好なダンピング効果を示す。

曲線Ａは従来のヘルムホルツダンパ（例えば図１に示したようなヘルムホルツダンパ）に関する。曲線Ａからは、ダンピング帯域幅が極めて狭いことが明らかである。

曲線Ｂは二つのヘルムホルツダンパの機構に関しており、その共振周波数は離れて、直列に接続している。曲線Ｂからは、ダンピング帯域幅が二つの狭いダンピング領域（一つのヘルムホルツダンパの共振周波数にまたがった各領域）を有する。

曲線Ｃは二つのヘルムホルツダンパを備えた図２に似た機構に関しており、その共振周波数は互いに近く、相乗ダンピング効果を有しており、直列に接続している。

曲線Ｃから、二つの狭いダンピング領域の代わりに、相乗効果の場合、帯域幅は相乗効果を超えて極めて広い一つのダンピング領域を有している。

図９は図３に似た機構をテストする際に描かれたグラフを示す。この場合においても、特に直列に接続したヘルムホルツダンパの機構の帯域幅と比べた際にダンピング帯域幅が極めて広いことが明らかである。

記載した特徴が互いに独立して設けられていてもよいのは当然である。

実際、使用される材料および寸法は、要求および技術水準に応じて任意に選ぶことができる。

１ 従来のヘルムホルツダンパ
２ エンクロージャ
３ 共振容積室
４ 頚部
５ 燃焼室
６ ５の壁
１０ 機構
１１ 第一のヘルムホルツダンパ
１２ 第二のヘルムホルツダンパ
１３ １２の容積室
１４ １２の頚部
１５ 燃焼室
１６ １１の容積室
１７ １１の頚部
１７，１７ａ，１７ｂ 頚部
２０ シリンダ
２１ ピストン
２１ａ，２１ｂ ピストン
２４ 冷却空気用の入口
２５ 棒体
２６ 中間容積室
２８ａ，２８ｂ 棒体
２９ アクチュエータ
３０ 制御ユニット
３１ センサ
３３，３４ ２１の部材
３５，３６ ３３，３４の孔
Ａ 従来のヘルムホルツダンパの反射率
Ｂ ヘルムホルツダンパの従来の機構の反射率
Ｃ 本発明の実施例におけるヘルムホルツダンパの機構の反射率
Ｆ ２５の移動

Claims (8)

1. 少なくとも一つの第一のヘルムホルツダンパ（１１）を備えており、この
   第一のヘルムホルツダンパが第二のヘルムホルツダンパ（１２）に直列に接続しているダンパ機構（１０）において、
   少なくとも一つの第一のヘルムホルツダンパ（１１）と第二のヘルムホルツダンパ（１２）の共振周波数が、相乗ダンピング効果をもたらす量で互いに移動することを特徴とするダンパ機構（１０）。
2. 第二のヘルムホルツダンパ（１２）が、第二の容積室（１３）と、燃焼室（１５）の内部に接続した第二の頚部（１４）を備えており、その中でダンピングされるべき圧力振動が発生し、
   第一のヘルムホルツダンパ（１１）が、第一の容積室（１６）と、第二の容積室（１３）に接続した第一の頚部（１７）を備えており、第一の容積室（１６）および／または第二の容積室（１３）が可変な容積室であることを特徴とする請求項１記載のダンパ機構（１０）。
3. 少なくとも一つの滑動可能なピストン（２１）を収容している一つのシリンダ（２０）が、ピストン（２１）の一方の側で第一の容積室（１６）を規定しており、かつピストン（２１）の他方の側で第二の容積室を規定しており、ピストン（２１）が第一の頚部（１７）を規定していることを特徴とする請求項２に記載のダンパ機構（１０）。
4. 前記ピストン（１０）がその位置を調節するためにアクチュエータ（２９）に接続しており、アクチュエータ（２９）が圧力振動センサ（３１）に接続した制御ユニット（３０）により駆動されていることを特徴とする請求項３に記載のダンパ機構（１０）。
5. 第一の頚部（１７）が様々な横断面を有していることを特徴とする請求項４に記載のダンパ機構（１０）。
6. ピストン（２１）が互いに重なり合うように滑動可能な二つの部材（３３，３４）を有しており、様々な横断面を備えた頚部（１７）が、二つの部材（３３，３４）の整列された孔（３５，３６）により規定されていることを特徴とする請求項５に記載のダンパ機構（１０）。
7. 少なくとも一つの第一のヘルムホルツダンパ（１１）を備え、この第一のヘルムホルツダンパが第二のヘルムホルツダンパ（１２）に直列に接続しているダンパ機構（１０）を構成するための方法において、
   少なくとも一つの第一のヘルムホルツダンパ（１１）を備え、この第一のヘルムホルツダンパが第二のヘルムホルツダンパ（１２）に直列に接続していること、および
   相乗ダンピング効果をもたらす移動量が見つかるまで、第一のヘルムホルツダンパ（１１）の共振周波数と第二のヘルムホルツダンパ（１２）の共振周波数を互いに対して移動させることを特徴とする方法。
8. 移動が第一および第二のヘルムホルツダンパ（１１，１２）の各々の第一および／または第二の容積室（１６，１３）を調節することにより、および／または第一および第二のヘルムホルツダンパ（１１，１２）の間の第一の横断面頚部（１７）を調節することにより達せられることを特徴とする請求項７に記載の方法。

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