JP2014051983A

JP2014051983A - 燃焼器用の音響減衰装置および燃焼器

Info

Publication number: JP2014051983A
Application number: JP2013187373A
Authority: JP
Inventors: Ruben Bothien Mirko; ルーベンボティエンミルコ; Stephen W Jorgensen; ダブリュー．ジョージェンセンスティーヴン; Douglas Anthony Pennell; アンソニーペネルダグラス
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2012-09-10
Filing date: 2013-09-10
Publication date: 2014-03-20
Anticipated expiration: 2033-09-10
Also published as: EP2716972B1; KR20140034079A; US20140069738A1; CA2826099C; RU2551707C2; SA113340835B1; JP5734375B2; EP2716972A1; RU2013141399A; CN103672971B; CN103672971A; US8684130B1; CA2826099A1; KR101551673B1

Abstract

【課題】簡単かつコスト的に有利に燃焼器用の音響減衰装置および燃焼器を改善すること。
【解決手段】本願発明は、動作中に第１の温度において使用されるように構成されたインナーライナと、動作中に第１の温度よりも低い第２の温度で動作するように構成されたアウターライナとを有する燃焼器用の音響減衰装置に関する。この音響減衰装置は、複数のフレキシブルシートと、内部容積を有する少なくとも１つの中空ボディとを有しており、少なくとも１つの中空ボディは、複数のフレキシブルシートのうちの１つに固定されており、音響減衰装置は、少なくとも１つの中空ボディの内部容積が、インナーライナによって形成されるチャンバと連係し、かつ、複数のフレキシブルシートが、アウターライナに対するインナーライナの膨張および収縮を吸収するように、インナーライナおよびアウターライナの双方に固定されるように構成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、ガスタービンの筒型燃焼器のような燃焼器用の音響減衰装置に関する。

本発明は、米国特許法第１１９条の下で、米国特許商標庁に２０１２年９月１０日に提出された米国仮特許明細書第６１／６９８，９５８号に優先権を主張するものであり、その開示内容は、参照によって本明細書に含まれものとする。

ガスタービン用の筒型燃焼器には、インナーライナおよびアウターライナが含まれ得る。ガスタービンの圧縮部によって圧縮された空気の少なくとも一部は、インナーライナとアウターライナとの間を通り、インナーライナの温度を緩和されるために使用される。この圧縮空気はつぎに燃料と混合され、この空燃混合気が点火される。このような燃焼は、上記のインナーライナによって設定され所定の空間内で行われる。

上記のインナーライナが、２つの部分から、すなわち上流の燃焼部および下流の移行部から構成される構成も存在する。この燃焼部および移行部は、これらの２つの部分の重なり部においてフラシールのような軸方向シールによって接続される。燃焼は主に上流の燃焼部内で行われ、高温の燃焼ガスは、上記の移行部によってガスタービンのタービン部分に向かわせられる。したがって上記の燃焼部および移行部は、上記のフラシールにおいてこれらが重なり合う部分を除き、共に高温の燃焼ガスに直接曝されるのである。この個所におけるインナーライナとアウターライナとの間の温度差は、他の個所よりも少ない。なぜならば、インナーライナの外側部分は、この位置において他の位置よりも加熱されないからである。このため、フラシールのこの位置においてインナーライナをアウターライナに固定して、アウターライナに対するインナーライナの膨張および収縮を吸収する必要のない比較的な簡単な接続構造が使用するのが通例である。

動作中のＮＯ_X放出を低減するため、リーン予混合燃焼法を使用することできるが、これは、燃焼速度の不安定さの結果として、燃焼器における圧力波振動を増大させることになり得る。適切に緩和しなければ、ノイズおよび振動が発生し、燃焼器に損傷が発生する可能性もある。キャニュラー形燃焼器および環状燃焼器においてこの問題を扱うため、複数のネック部によって上記の移行部に減衰ボックスを取り付けることが、例えば、米国特許第６，５３０，２２１Ｂ１に提案されている。その開示内容は、参照によってその全体がこの明細書に組み込まれるものとする。缶形燃焼器の周りに配置されるマルチダンパの変形形態も、米国特許第２０１１／０２２０４３３号に提案されており、この開示内容も参照によってその全体がこの明細書に組み込まれるものとする。

米国特許第６，５３０，２２１Ｂ１号米国特許第２０１１／０２２０４３３号

本発明の課題は、簡単かつコスト的に有利に燃焼器用の音響減衰装置および燃焼器を改善することである。

上記の燃焼器用の音響減衰装置についての課題は、本願発明の請求項１により、動作中に第１の温度において使用されるように構成されたインナーライナと、動作中に第１の温度よりも低い第２の温度で動作するように構成されたアウターライナとを有する燃焼器用の音響減衰装置であり、この音響減衰装置は、複数のフレキシブルシートと、内部容積を有する少なくとも１つの中空ボディとを有しており、少なくとも１つの中空ボディは、複数のフレキシブルシートのうちの１つに固定されており、音響減衰装置は、少なくとも１つの中空ボディの内部容積が、インナーライナによって形成されるチャンバと連係し、かつ、複数のフレキシブルシートが、アウターライナに対するインナーライナの膨張および収縮を吸収するように、インナーライナおよびアウターライナの双方に固定されるように構成されることによって解決される。

さら上記の燃焼器についての課題は、本願発明の請求項１３により、第１の温度における動作用に構成されたインナーライナと、第１の温度よりも低い第２の温度における動作用に構成されたアウターライナと、インナーライナとアウターライナとを接続する音響減衰装置とを有する燃焼器によって解決される。

例示的な燃焼器の破断図である。例示的な音響減衰器の別の破断図である。例示的なインナーライナ移行部および音響減衰装置の斜視図である。例示的な音響減衰装置におけるフレキシブルシートおよび中空ボディの例示的な配置構成を示す図である。例示的な音響減衰装置におけるフレキシブルシートおよび中空ボディの別の例示的な配置構成を示す図である。例示的な音響減衰装置におけるフレキシブルシートおよび中空ボディのさらに別の例示的な配置構成を示す図である。例示的な音響減衰装置におけるフレキシブルシートおよび中空ボディのさらに別の例示的な配置構成を示す図である。例示的な中空ボディの例示的な横断面形状を示す図である。

図１および２には、動作中の第１の温度において使用するために構成されたインナーライナ３０と、動作中の第１の温度よりも低い第２の温度において使用するために構成されたアウターライナ４０とを有する燃焼器１０用の音響減衰装置２０が示されている。音響減衰装置２０には、複数のフレキシブルシート６０と、内部容積を有する少なくとも１つの中空ボディ７０とが含まれており、各中空ボディ７０は、複数のフレキシブルシート６０のうちの１つに固定されている。音響減衰装置２０は、少なくとも１つの中空ボディ７０の内部容積が、インナーライナ３０によって形成されるチャンバと連係し、また複数のフレキシブルシート６０が、アウターライナ４０に対するインナーライナ３０の膨張および収縮を吸収するようにインナーライナ３０およびアウターライナ４０の双方に固定されるように構成されている。

複数のフレキシブルシート６０は、その一方の端部をアウターライナ４０に固定することができる。少なくとも１つの中空ボディ７０は、閉鎖端部７０ｂの半径方向内側に配置された開放端部７０ａを有することができ、またインナーライナ３０の少なくとも１つの開口部においてインナーライナ３０に固定されるように構成されている。少なくとも１つの中空ボディ７０は、インナーライナ３０側を向いているフレキシブルシート６０の表面において、複数のフレキシブルシート６０のうちの１つに固定可能である。ここでは、円周方向に間隔が空けられたこのような複数のフレキシブルシート６０を含むことが可能である。

１つまたは複数の中空ボディ７０は、円、正方形、長方形、涙形からなるグループから選択した横断面形状を有することができる。当然のことながら、別の適当な形状を選択することができ、このような適当な形状は当業者には明らかである。さらに、中空ボディ７０は、同じ内部容積を有することができ、またはそれぞれが異なる内部容積を有することもできる。複数の中空ボディ７０は、複数のフレキシブルシート６０のうちの１つのそれぞれ同じまたは異なる軸方向位置または円周方向位置に、複数のフレキシブルシート６０のうちの１つに固定することができる。これに加えて、中空ボディ７０の内側容積と、インナーライナ３０によって定められるチャンパとを接続するエアチャネルの個数、サイズおよび形状は、変更可能である。

図１には、第１の温度における動作のために構成されたインナーライナ３０、第１の温度よりも低い第２の温度における動作のために構成されたアウターライナ４０、およびインナーライナ３０とアウターライナ４０とを接続する音響減衰装置２０を有し得る例示的な燃焼器１０が示されている。燃焼器インナーライナ３０は、燃焼部３０ａと、動作中のガス流の方向に対して燃焼部３０ａの下流に配置された移行部３０ｂを含むことができ、ここでは音響減衰装置２０は、燃焼部３０ａと移行部３０ｂとの重なり部の下流に配置されている。燃焼器１０は、圧縮空気流に燃料を噴射して燃焼器に空燃混合気を形成するための燃料噴射器と、この空燃混合気を点火するためのイグナイタとを含むことができる。

例示的な実施形態において、インナーライナ３０とアウターライナ４０との間の空間は、ガスタービンの圧縮部によって圧縮された空気を受け取るように構成されている。この空気流は、インナーライナ３０の温度を緩和するのに役立つ。インナーライナ３０によって定められる空間内において、上記の圧縮空気は、燃料と混合され、空燃混合気は点火されてガスタービンのタービン部分に向けられる。したがってインナーライナ３０は、アウターライナ４０よりも高い温度において使用されるように構成されているのである。

インナーライナ３０が、燃焼部３０ａと、動作中のガス流の方向に対して燃焼部３０ａの下流にある移行部３０ｂとから構成される図１〜３の例示的な実施形態において、燃焼部３０ａと、移行部３０ｂとはそれらの重なり部において、軸方向シール５０、例えば、フラシールによって接続される。燃焼は、主に燃焼部３０ａ内で行うことができ、高温の燃焼ガスは、移行部３０ｂによってガスタービンのタービン部分に向かわせることができる。したがって燃焼部分３０ａおよび移行部３０ｂは、フラシール５０においてこれらが重なり合うこれらの部分の一区画を除いて、共に高温の燃焼ガスに直接曝されるのである。中空ボディ７０は、減衰容積を効果的に提供することができ、フラシール５０の下流に配置される場合にヘルムホルツ共振器として機能することができる。フレキシブルシート６０と中空ボディ７０とが軸方向シール５０の下流に配置され、これによってインナーライナ３０の高温部分と、比較的冷たいアウターライナ４０とが接続されると、フレキシブルシート６０は、動作温度が変化し得る始動時、停止時または負荷変化時のような移行動作中に発生する相対的な運動を許容することができる。さらにフレキシブルシート６０は、燃焼器１０をタービンケーシングに固定するリング８０を構成するアウターライナ４０部分と一体に形成することができる。

中空ボディ７０によって減衰容積が得られ、またこの中空ボディはヘルムホルツ共振器として作用する。図４〜８には、中空ボディ７０の相異なる例示的な形状およびフレキシブルシート６０における配置が示されている。上記の中空ボディに対し、図８に示したように、例えば、正方形、長方形、円形、液滴形のような相異なる横断面形状を使用することができる。これらの形状および／または配置構成は、熱伝達に対し、またはインナーライナ３０とアウターライナ４０との間の空間を通って配向される冷却空気の最小流動抵抗に対して最適化することができ、まず図５および６に示したように、互い違いに配置して、冷却空気流における圧力損を最小化し、例えば、冷却空気内に形成される伴流の発生を最小化することができる。図７は、中空ボディにおいて相異なる容積または開口部サイズを使用できることを示しており、これにより、例えば、中空ボディ７０ｃは、中空ボディ７０ｄとは異なる周波数に最適化される。例えば、約１〜１０ｋＨｚの範囲の高周波脈動も、約５０〜５００Ｈｚの範囲の低周波脈動も考慮することができる。さらに、インナーライナとのアウターライナとの間に音響減衰装置２０を設けることにより、ライナ間の固定装置を形成する別の構造体が不要になる。

例示的な中空ボディの共振周波数は、つぎの式によって計算することができる。すなわち、fres＝ｃ／２／pi＊sqrt(Aneck／Lneck,eff／Vdamper)であり、ここで、fresは共振周波数、ｃは音速、Vdamperは減衰容積、Aneckは減衰容積と高温ガスダクトとを接続するダクトの横断面領域、Lneck,effは減衰容積を高温ガスダクトに接続するダクトの有効長である。例示的な１つの実施形態において、ネック長は３〜１５ｍｍであり、ネック直径は１〜１０ｍｍである。しかしながらこれのサイズは基本的に変更可能である。

例示的な実施形態において、上記の音響減衰装置は、例えばHaynes 230，Haynes 282，Hasteloy XまたはIconelなどの高温熱耐性の（ニッケルベースの）合金から構成される。また、材料を組み合わせることも可能であり、例えば、上記の容積体に対するSt18-8と、高温ガスに接触する上記のネック部に対するより高品質の合金との材料の組み合わせも可能である。

同業者には明らかであるのは、上で説明した本発明を、その精髄または本質的な特徴から逸脱することなく別の特定の形態で実施できることである。したがってここで示した例示的な実施形態は、あらゆる点から見て説明的なものであり、制限的なものではないのである。

１０燃焼器、２０音響減衰装置、３０インナーライナ、３０ａ燃焼部、３０ｂ移行部、４０アウターライナ、５０軸方向シール（フラシール）、６０フレキシブルシート、７０中空ボディ、７０ａ開放端部、７０ｂ閉鎖端部、７０ｃ，７０ｄ中空ボディ、８０リング

Claims

動作中に第１の温度において使用されるように構成されたインナーライナと、動作中に前記第１の温度よりも低い第２の温度で動作するように構成されたアウターライナとを有する燃焼器用の音響減衰装置において、
該音響減衰装置は、
複数のフレキシブルシートと、
内部容積を有する少なくとも１つの中空ボディとを有しており、
前記少なくとも１つの中空ボディは各々、前記複数のフレキシブルシートのうちの１つに固定されており、
前記音響減衰装置は、
前記少なくとも１つの中空ボディの前記内部容積が、前記インナーライナによって形成されるチャンバと連係し、前記複数のフレキシブルシートが前記アウターライナに対する前記インナーライナの膨張および収縮を吸収するように、
前記インナーライナおよび前記アウターライナの双方に固定されるように構成されている、
ことを特徴とする音響減衰装置。
請求項１に記載の音響減衰装置において、
前記複数のフレキシブルシートは、一方の端部が前記アウターライナに固定されるように構成されている、
ことを特徴とする音響減衰装置。
請求項１に記載の音響減衰装置において、
前記少なくとも１つの中空ボディは、当該少なくとも１つの中空ボディの閉鎖端部において前記複数のフレキシブルシートのうちの１つに固定されている、
ことを特徴とする音響減衰装置。
請求項３に記載の音響減衰装置において、
前記少なくとも１つの中空ボディは、前記閉鎖端部の半径方向内側に配置されかつ前記インナーライナの少なくとも１つの開口部において前記インナーライナに固定されるように構成されている開放端部を有している、
ことを特徴とする音響減衰装置。
請求項１に記載の音響減衰装置において、
前記少なくとも１つの中空ボディは、前記インナーライナ側を向くように構成されている、複数のフレキシブルシートのうちの１つの表面において、前記複数のフレキシブルシートのうちの１つに固定されている、
ことを特徴とする音響減衰装置。
請求項１に記載の音響減衰装置において、
前記少なくとも１つの中空ボディは、円形、正方形、長方形および涙形からなるグループから選択した横断面形状を有する、
ことを特徴とする音響減衰装置。
請求項１に記載の音響減衰装置において、
前記複数の中空ボディは、前記複数のフレキシブルシートのうちの１つに固定されている、
ことを特徴とする音響減衰装置。
請求項７に記載の音響減衰装置において、
前記複数の中空ボディは、同じ内部容積を有する、
ことを特徴とする音響減衰装置。
請求項７に記載の音響減衰装置において、
前記複数の中空ボディは、異なる内部容積を有する、
ことを特徴とする音響減衰装置。
請求項７に記載の音響減衰装置において、
前記複数の中空ボディは、前記複数のフレキシブルシートのうちの１つにそれぞれ異なる軸方向位置で固定されている、
ことを特徴とする音響減衰装置。
請求項７に記載の音響減衰装置において、
前記複数の中空ボディは、前記複数のフレキシブルシートのうちの１つにそれぞれ異なる円周方向位置で固定されている、
ことを特徴とする音響減衰装置。
請求項１に記載の音響減衰装置において、
複数の中空ボディは、前記複数のフレキシブルシートのそれぞれ同じ円周方向位置かつそれぞれ異なる軸方向位置において、前記複数のフレキシブルシートと固定されている、
ことを特徴とする音響減衰装置。
第１の温度における動作用に構成されたインナーライナと、
前記第１の温度よりも低い第２の温度における動作用に構成されたアウターライナと、
前記インナーライナと前記アウターライナとを接続する音響減衰装置とを有する、
ことを特徴とする燃焼器。
請求項１３に記載の燃焼器において、
前記インナーライナは、
燃焼部と、
動作中のガス流の方向に対して前記燃焼部の下流に配置された移行部とを有しており、
前記音響減衰装置は、前記燃焼部と前記移行部との重なり部の下流に配置されている、
ことを特徴とする燃焼器。
請求項１３に記載の燃焼器において、
前記音響減衰装置は、複数のフレキシブルシートと、内部容積を有する少なくとも１つの中空ボディとを有しており、前記少なくとも１つの中空ボディの各々は、前記複数のフレキシブルシートのうちの１つに固定されており、
前記音響減衰装置は、
前記少なくとも１つの中空ボディの前記内部容積が、前記インナーライナによって形成されるチャンバと連係し、かつ、前記複数のフレキシブルシートが、前記アウターライナに対する前記インナーライナの膨張および収縮を吸収するように
前記インナーライナおよび前記アウターライナの双方に固定されている、
ことを特徴とする燃焼器。
請求項１５に記載の燃焼器において、
前記複数のフレキシブルシートは、一方の端部が前記アウターライナに固定されている、
ことを特徴とする燃焼器。
請求項１５に記載の燃焼器において、
前記少なくとも１つの中空ボディは、当該少なくとも１つの中空ボディの閉鎖端部において前記複数のフレキシブルシートのうちの１つに固定されている、
ことを特徴とする燃焼器。
請求項１５に記載の燃焼器において、
前記少なくとも１つの中空ボディは、前記閉鎖端部の半径方向内側に配置されかつ前記インナーライナの少なくとも１つの開口部において当該インナーライナに固定される開放端部を有している、
ことを特徴とする燃焼器。
請求項１５に記載の燃焼器において、
前記少なくとも１つの中空ボディは、前記インナーライナ側を向いた、前記複数のフレキシブルシートのうちの１つのフレキシブルシートの面において、当該複数のフレキシブルシートのうちの１つのフレキシブルシートに固定されている、
ことを特徴とする燃焼器。