JP2013019567A - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼用の圧縮空気の供給量低下を抑制しつつ高周波の燃焼振動を低減することができるガスタービン燃焼器を提供する。
【解決手段】ガスタービン燃焼器は、ノズルから噴射された燃料の燃焼によって生成される燃焼ガスが内部を流れる内筒４と、この内筒４の外表面に装着される第１共鳴装置１０及び第２共鳴装置２０とを備える。第２共鳴装置２０は、第１共鳴装置１０よりも燃料ガス流れの下流側に位置し、第１共鳴装置１０よりも高周波の燃焼振動を減衰する。第１共鳴装置１０および第２共鳴装置２０は、内筒４の外表面に取り付けられるハウジング１２，２２を有する音響ライナである。ハウジング１２，２２と内筒４の外表面とで囲まれる共鳴空間１４，２４が内筒４に形成された複数の音響孔１６，２６を介して内筒４の内部空間に連通している。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成するガスタービン燃焼器に関する。

従来から、燃焼振動を抑制するために、音響ライナと称される共鳴装置を燃焼器内筒の外周に取り付けたガスタービン燃焼器が知られている。
例えば、特許文献１には、空洞（共鳴空間）を有する音響ライナを燃焼器筒体の外周に装着し、該空洞を燃焼器筒体に形成された吸音孔（音響孔）に連通させたガスタービン燃焼器が開示されている。また、燃焼振動を効果的に抑制する観点から、燃焼領域の近傍、すなわち火炎の近傍に吸音孔及び音響ライナを配置することも開示されている（段落００１１参照）。

一方、複数の共鳴装置を取り付けたガスタービン燃焼器が知られている。
例えば、特許文献２及び３には、燃焼筒の燃焼ガスの流れ方向に２つの音響ライナを装着したガスタービン燃焼器が記載されている（特許文献２の図１、および、特許文献３の図２参照）。また、特許文献４には、燃焼筒に音響ライナと該音響ライナに接続される音響ダンパとを燃焼筒に装着したガスタービン燃焼器が記載されている（図６参照）。さらに、特許文献５には、音響ライナ及びこれに接続される音響ダンパからなる減衰装置を尾筒に複数個取り付けたガスタービン燃焼器が記載されている（図１７参照）。

特開２００２−１７４４２７号公報 特開２００６−９７９８１号公報 特開２００８−２００９５号公報 特開２００７−１３２６４０号公報 特開２００６−２６６６７１号公報

ところで、従来から、幅広い周波数範囲（例えば、１．５〜５ｋＨｚ程度）の燃焼振動を抑制可能な音響ライナを燃焼器内筒に一つだけ装着すれば、燃焼振動に起因するクラックの発生等の問題を十分に解消できると考えられていた。

ところが、本発明者らが鋭意検討した結果、ガスタービンの運転条件によっては上記音響ライナの周波数帯を外れた特定の高周波（例えば５．５ｋＨｚ程度）の燃焼振動も生じうることが確認された。これは、ガスタービンの運転条件（負荷の大きさ）が常に一定ではないことから、燃焼器内筒の内部空間に形成される火炎の長さが変動し、この火炎の長さに依存して燃焼振動の特性が変化するためと考えられる。そして、本発明者らによるさらなる検討によって、上記特定の高周波の燃焼振動は、上記音響ライナで抑制可能な周波数帯に対応する火炎位置に比べて燃焼ガス流れ方向の下流側に火炎位置がずれると共に、燃焼器内筒の壁面近傍で燃焼が生じたときに起こることが明らかになった。

そこで、特許文献１に開示された内容を参考にして、燃焼領域（火炎）の近傍に音響ライナを配置すべく、従来に比べて音響ライナを幅広にして、上記特定の高周波の燃焼振動に対応する火炎位置まで音響ライナの設置エリアを拡大することが考えられる。
しかし、音響ライナの幅を広げると、その分だけ、音響ライナのハウジングに設けられたパージ孔の数が増えることになり、パージ孔を介したハウジング内への圧縮空気の流入量が増えて、燃焼に用いられる圧縮空気の量が減ってしまう。

一方、特許文献２〜５には、２つの共鳴装置を取り付けることが開示されているものの、上記特定の高周波の燃焼振動をも効果的に抑制するために各共鳴装置をどのような位置関係で配置するかについては何ら開示されていない。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、燃焼用の圧縮空気の供給量低下を抑制しつつ高周波の燃焼振動を低減することができるガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。

本発明に係るガスタービン燃焼器は、ノズルから噴射された燃料の燃焼によって生成される燃焼ガスが内部を流れる内筒と、前記内筒の外表面に装着される第１共鳴装置と、前記第１共鳴装置よりも燃料ガス流れの下流側に位置するように前記内筒の外表面に装着され、前記第１共鳴装置よりも高周波の燃焼振動を減衰する第２共鳴装置とを備え、前記第１共鳴装置および前記第２共鳴装置は、前記内筒の外表面に取り付けられるハウジングを有する音響ライナであり、前記ハウジングと前記内筒の外表面とで囲まれる共鳴空間が前記内筒に形成された複数の音響孔を介して前記内筒の内部空間に連通していることを特徴とする。

上記ガスタービン燃焼器では、第１共鳴装置に加えて、第１共鳴装置よりも高周波の燃焼振動を減衰する第２共鳴装置を設けたので、第１共鳴装置の周波数帯を外れた特定の高周波の燃焼振動を第２共鳴装置によって減衰できる。しかも、第１共鳴装置よりも燃料ガス流れの下流側に第２共鳴装置を配置したので、第１共鳴装置の周波数帯を外れた特定の高周波の燃焼振動が生じる際の火炎位置に第２共鳴装置が近づいて、第２共鳴装置による上記高周波の燃焼振動の減衰効果が増大する。また、幅広の共鳴装置を一つだけ用いるのではなく、第１共鳴装置および第２共鳴装置を用いるようにしたので、共鳴装置の設置エリアの増加を抑制し、共鳴装置が通常有するパージ孔の数を最小限にして、燃焼用の圧縮空気の供給量低下を防止できる。

上記ガスタービン燃焼器において、前記第２共鳴装置の共鳴空間の高さは、前記第１共鳴装置の共鳴空間の高さよりも低いことが好ましい。
このように、第２共鳴装置の共鳴空間の高さを相対的に小さくすることで、第２共鳴装置による高周波の燃焼振動の減衰を効果的に行うことができる。また、第２共鳴装置がコンパクト化されて、第２共鳴装置のレイアウトが容易になる。

上記ガスタービン燃焼器は、前記内筒の下流側端部の外周側にその上流側端部（尾頭の上流側端部）が重なるように設けられて、前記内筒で生成された前記燃焼ガスをタービンに導く尾筒と、弾性力によって前記尾筒の前記上流側端部と前記内筒の前記下流側端部とを接続するスプリングクリップと、前記スプリングクリップを前記尾筒の前記上流側端部側に押し付けるバギークリップとをさらに備え、前記バギークリップと前記内筒の前記下流側端部の外表面とで囲まれるスペースに前記第２共鳴装置を収納してもよい。
このように、バギークリップと内筒の下流側端部の外表面とで囲まれるスペースに第２共鳴装置を収納することで、バギークリップ下のスペースを有効利用できる。

上記ガスタービン燃焼器において、前記ノズルは、前記内筒の中心軸上に設けられるパイロットノズルと、該パイロットノズルの外周に設けられる複数のメインノズルとからなり、前記第２共鳴装置の装着位置における前記内筒の直径をＤ_２とし、前記メインノズルを取り囲むメインノズル外筒の後流端部から前記第２共鳴装置の装着位置までの距離をＬ_２としたとき、０．８≦Ｌ_２／Ｄ_２≦１．1の関係式が成立することが好ましい。
これにより、第１共鳴装置の周波数帯を外れた特定の高周波の燃焼振動を、第２共鳴装置によって効果的に抑制できる。

上記ガスタービン燃焼器において、前記第２共鳴装置の装着位置における前記内筒の直径をＤ_２とし、前記内筒の長手方向における前記第２共鳴装置の共鳴空間の幅をＷ_２としたとき、０．０５≦Ｗ_２／Ｄ_２≦０．３の関係式が成立することが好ましい。
これにより、第２共鳴装置のコンパクト化を図りながら、第１共鳴装置の周波数帯を外れた特定の高周波の燃焼振動を第２共鳴装置によって効果的に抑制できる。

上記ガスタービン燃焼器において、前記第２共鳴装置の装着位置における前記内筒の直径をＤ_２とし、前記第２共鳴装置の共鳴空間の高さをｈ_２としたとき、０．００５≦ｈ_２／Ｄ_２≦０．０２の関係式が成立するが好ましい。
これにより、第２共鳴装置のコンパクト化を図りながら、第２共鳴装置による高周波の燃焼振動の大きな減衰効果を得ることができる。

本発明によれば、第１共鳴装置に加えて、第１共鳴装置よりも高周波の燃焼振動を減衰する第２共鳴装置を設けたので、第１共鳴装置の周波数帯を外れた特定の高周波の燃焼振動を第２共鳴装置によって減衰できる。しかも、第１共鳴装置よりも燃料ガス流れの下流側に第２共鳴装置を配置したので、第１共鳴装置の周波数帯を外れた特定の高周波の燃焼振動が生じる際の火炎位置に第２共鳴装置が近づいて、第２共鳴装置による上記高周波の燃焼振動の減衰効果が増大する。また、幅広の共鳴装置を一つだけ用いるのではなく、第１共鳴装置および第２共鳴装置を用いるようにしたので、共鳴装置の設置エリアの増加を抑制し、共鳴装置が通常有するパージ孔の数を最小限にして、燃焼用の圧縮空気の供給量低下を防止できる。

ガスタービン燃焼器の構成例を示す断面図である。 共鳴装置周辺のガスタービン燃焼器の詳細構造を示す断面図である。

以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、ガスタービン燃焼器の構成例を示す断面図である。図２は、共鳴装置周辺のガスタービン燃焼器の詳細構造を示す断面図である。

図１に示すように、ガスタービン燃焼器（以下、単に「燃焼器」という）１は、燃料を噴射するノズル（２，３）と、燃料の燃焼によって生成される燃焼ガスが内部を流れる内筒（燃焼器ライナ）４と、内筒４に接続された尾筒（トランジションピース）６とを備える。
燃焼器１は、圧縮機及びタービンとともにガスタービンを構成する。ガスタービンでは、圧縮機で生成された圧縮空気が燃焼用空気として燃焼器１に供給され、燃焼器１で生成された燃焼ガスが内筒４から尾筒６を経てタービンに供給される。そして、この燃焼ガスによってタービンが駆動される。

燃焼器１は、パイロットノズル２及びメインノズル３を組み合わせたマルチノズル形式の予混合燃焼器である。パイロットノズル２は、内筒４の中心軸上に設けられている。また、パイロットノズル２の外周には、パイロットノズル２を取り囲むように複数のメインノズル３が配置されている。メインノズル３の先端部はメインノズル外筒５によって覆われている。
パイロットノズル２から噴射された燃料は圧縮空気と混合されて着火され、パイロットノズル２の下流に火炎が形成される。メインノズル３から噴射された燃料はパイロットノズル２の下流に形成された火炎によって着火され、各メインノズル３の下流に火炎が形成される。これにより、内筒４の内部空間には、尾筒６へと向かう高温の燃焼ガスの流れが形成される。

内筒４への尾筒６の接続は、スプリングクリップ８を用いて行われる。内筒４の下流側端部と、尾筒６の上流側端部は、尾筒６が内筒４の外周側になるようにオーバーラップしている。スプリングクリップ８は、一端が内筒４の下流側端部の外周面に固定されており、他端は自由端になっている。そのため、内筒４と尾筒６とは、スプリングクリップ８の弾性力によって固定される。また、スプリングクリップ８と内筒４との間にはバギークリップ９が設けられており、このバギークリップ９によってスプリングクリップ８は尾筒６の内壁面に押し付けられ、内筒４と尾筒６の接続がより確実に行えるようになっている。

内筒４の外表面には、燃焼振動を低減するために、第１共鳴装置１０及び第２共鳴装置２０が装着されている。第１共鳴装置１０及び第２共鳴装置２０は、内筒４の全周に亘って設けてもよいし、内筒４の周方向に部分的に設けてもよい。

図２に示すように、第１共鳴装置１０は、内筒４の外表面に溶接で取り付けられた第１ハウジング１２を有する音響ライナである。第１ハウジング１２と内筒４の外表面とで囲まれる第１共鳴空間１４は、内筒４に形成された複数の音響孔１６を介して、内筒４の内部空間に連通している。そのため、内筒４内で発生した燃焼振動による空気振動（圧力波）が音響孔１６に捕捉されて共鳴する。具体的には、第１共鳴空間１４内の空気と音響孔１６内の空気とは、第１共鳴空間１４内の空気がバネとして働くことにより共鳴系を構成している。そして、この共鳴系の共鳴周波数の振動に対して音響孔１６内の空気が激しく共鳴し、その際の摩擦によって燃焼振動の振幅が減衰される。
なお、第１共鳴装置１０で減衰可能な燃焼振動の周波数帯は、音響孔１６の直径（断面積）、第１共鳴空間１４の大きさ（第１共鳴空間１４の高さｈ_１及び幅Ｗ_１）等を調節することで任意に設定可能である。

また、第１ハウジング１２にはパージ孔１８が設けられており、内筒４の外部を流れる圧縮空気（燃焼用空気）の一部が第１共鳴空間１４に流入するようになっている。これにより、高温の燃焼ガスとの接触による第１ハウジング１２の損傷が防止される。なお、圧縮空気が流れる方向は、図２に示すように、内筒４の内部空間を流れる燃焼ガスの流れとは逆方向である。

第１共鳴装置１０の装着位置は、第１共鳴装置１０の装着位置における内筒４の直径（内径）をＤ_１（図１参照）とし、メインノズル外筒５の後流端部から第１共鳴装置１０の装着位置までの距離をＬ_１（図２参照）としたとき、０．４≦Ｌ_１／Ｄ_１≦０．７の関係式が成立するように決定してもよい。なお、第１共鳴装置１０の装着位置とは、第１共鳴装置１０の内筒４の長手方向における幅の中心位置をいう。
また、第１共鳴空間１４の内筒４の長手方向における幅Ｗ_１（図２参照）は、第１共鳴装置１０の装着位置における内筒４の直径をＤ_１としたとき、０．３≦Ｗ_１／Ｄ_１≦０．６の関係式が成立するように決定してもよい。
また、第１共鳴空間１４の高さｈ_１（図２参照）は、第１共鳴装置１０の装着位置における内筒４の直径をＤ_１としたとき、０．０３≦ｈ_１／Ｄ_１≦０．１の関係式が成立するように決定してもよい。

一方、第２共鳴装置２０は、第１共鳴装置１０よりも燃焼ガス流れの下流側に配置される。例えば、内筒４と尾筒６とがオーバーラップしている領域に第２共鳴装置２０を設けてもよい。

第２共鳴装置２０の装着位置は、第２共鳴装置２０の装着位置における内筒４の直径（内径）をＤ_２（図１参照）とし、メインノズル外筒５の後流端部から第２共鳴装置２０の装着位置までの距離をＬ_２（図２参照）としたとき、０．８≦Ｌ_２／Ｄ_２≦１．１の関係式が成立するように決定されることが好ましい。これにより、第２共鳴装置２０の装着位置が、高周波の燃焼振動が生じるときの火炎位置に近づいて、第２共鳴装置２０によって効果的に抑制できる。
なお、第２共鳴装置２０の装着位置とは、第２共鳴装置２０の内筒４の長手方向における幅の中心位置をいう。

第２共鳴装置２０もまた、第１共鳴装置１０と同様に、内筒４の外表面に取り付けられた第２ハウジング２２を有する音響ライナである。第２ハウジング２２と内筒４の外表面とで囲まれる第２共鳴空間２４は、内筒４内に形成された複数の音響孔２６を介して、内筒４の内部空間に連通している。そのため、第２共鳴装置２０は、第１共鳴装置１０と同様なメカニズムで、所定の周波数の燃焼振動を減衰可能である。なお、第２ハウジング２２にはパージ孔２８が設けられており、内筒４の外部を流れる圧縮空気の一部が第１共鳴空間２４に流入するようになっている。
第２共鳴装置２０で減衰可能な燃焼振動の周波数帯は、音響孔２６の直径（断面積）、第２共鳴空間２４の大きさ（第２共鳴空間２４の高さｈ_２及び幅Ｗ_２）等を調節することで任意に設定可能であり、第１共鳴装置１０で減衰可能な燃焼振動の周波数帯よりも高周波に設定されている。

第２共鳴空間２４の内筒４の長手方向における幅Ｗ_２（図２参照）は、第２共鳴装置２０の装着位置における内筒４の直径をＤ_２としたとき、０．０５≦Ｗ_２／Ｄ_２≦０．３の関係式が成立するように決定することが好ましい。
これにより、第２共鳴装置２０のコンパクトを図りながら、第１共鳴装置１０の周波数帯を外れた特定の高周波の燃焼振動を第２共鳴装置２０によって効果的に抑制できる。

また、第２共鳴空間２４の高さｈ_２（図２参照）は、第２共鳴装置２０の装着位置における内筒４の直径をＤ_２としたとき、０．００５≦ｈ_２／Ｄ_２≦０．０２の関係式が成立するように決定することが好ましい。
これにより、第２共鳴装置２０のコンパクト化を図りながら、第２共鳴装置２０による高周波の燃焼振動の大きな減衰効果を得ることができる。

また、第２共鳴空間２４の高さｈ_２は、第１共鳴空間１４の高さｈ_１よりも小さいことが好ましい。
このように、第２共鳴装置２０の第２共鳴空間２４の高さｈ_２を相対的に小さくすることで、第２共鳴装置２０における高周波の燃焼振動の減衰を効果的に行うことができる。また、第２共鳴装置２０がコンパクト化されて、第２共鳴装置２０のレイアウトが容易になる。例えば、バギークリップ９と内筒４の外表面とで囲まれるスペースに第２共鳴装置２０を収納して、バギークリップ９下のスペースを有効利用することも可能になる。

以上説明したように、本実施形態では、第１共鳴装置１０に加えて、第１共鳴装置１０よりも高周波の燃焼振動を減衰する第２共鳴装置２０を設けたので、第１共鳴装置１０の周波数帯を外れた特定の高周波の燃焼振動を第２共鳴装置２０によって減衰できる。しかも、第１共鳴装置１０よりも燃料ガス流れの下流側に第２共鳴装置２０を配置したので、第１共鳴装置１０の周波数帯を外れた特定の高周波の燃焼振動が生じる際の火炎位置に第２共鳴装置２０が近づいて、第２共鳴装置２０による上記高周波の燃焼振動の減衰効果が増大する。また、幅広の共鳴装置を一つだけ用いるのではなく、第１共鳴装置１０および第２共鳴装置２０を用いるようにしたので、共鳴装置（１０，２０）の設置エリアの増加を抑制し、共鳴装置が通常有するパージ孔（１８，２８）の数を最小限にして、燃焼用の圧縮空気の供給量低下を防止できる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。

１ ガスタービン燃焼器（燃焼器）
２ パイロットノズル
３ メインノズル
４ 内筒
５ メインノズル外筒
６ 尾筒
８ スプリングクリップ
９ バギークリップ
１０ 第１共鳴装置
１２ 第１ハウジング
１４ 第１共鳴空間
１６ 音響孔
１８ パージ孔
２０ 第２共鳴装置
２２ 第２ハウジング
２４ 第２共鳴空間
２６ 音響孔
２８ パージ孔

Claims (6)

1. ノズルから噴射された燃料の燃焼によって生成される燃焼ガスが内部を流れる内筒と、
   前記内筒の外表面に装着される第１共鳴装置と、
   前記第１共鳴装置よりも燃料ガス流れの下流側に位置するように前記内筒の外表面に装着され、前記第１共鳴装置よりも高周波の燃焼振動を減衰する第２共鳴装置とを備え、
   前記第１共鳴装置および前記第２共鳴装置は、前記内筒の外表面に取り付けられるハウジングを有する音響ライナであり、
   前記ハウジングと前記内筒の外表面とで囲まれる共鳴空間が前記内筒に形成された複数の音響孔を介して前記内筒の内部空間に連通していることを特徴とするガスタービン燃焼器。
2. 前記第２共鳴装置の共鳴空間の高さは、前記第１共鳴装置の共鳴空間の高さよりも低い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. 前記内筒の下流側端部の外周側に上流側端部が重なるように設けられて、前記内筒で生成された前記燃焼ガスをタービンに導く尾筒と、
   弾性力によって前記尾筒の前記上流側端部と前記内筒の前記下流側端部とを接続するスプリングクリップと、
   前記スプリングクリップを前記尾筒の前記上流側端部側に押し付けるバギークリップとをさらに備え、
   前記バギークリップと前記内筒の前記下流側端部の外表面とで囲まれるスペースに前記第２共鳴装置を収納したことを特徴とする請求項１又は２に記載のガスタービン燃焼器。
4. 前記ノズルは、前記内筒の中心軸上に設けられるパイロットノズルと、該パイロットノズルの外周に設けられる複数のメインノズルとからなり、
   前記第２共鳴装置の装着位置における前記内筒の直径をＤ_２とし、前記メインノズルを取り囲むメインノズル外筒の後流端部から前記第２共鳴装置の装着位置までの距離をＬ_２としたとき、０．８≦Ｌ_２／Ｄ_２≦１．１の関係式が成立す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. 前記第２共鳴装置の装着位置における前記内筒の直径をＤ_２とし、前記内筒の長手方向における前記第２共鳴装置の共鳴空間の幅をＷ_２としたとき、０．０５≦Ｗ_２／Ｄ_２≦０．３の関係式が成立す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。
6. 前記第２共鳴装置の装着位置における前記内筒の直径をＤ_２とし、前記第２共鳴装置の共鳴空間の高さをｈ_２としたとき、０．００５≦ｈ_２／Ｄ_２≦０．０２の関係式が成立す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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