JP2014228273A - ガスタービン用ダンパ - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンにおける脈動を低減するためのダンパを提供する。
【解決手段】エンクロージャ１５０と、該エンクロージャから延びている主頚部１４０と、前記エンクロージャを第１のキャビティ１６０と第２のキャビティ１７０とに分けるために前記エンクロージャ内に配置されたスペーサ板１３０と、前記第１のキャビティと第２のキャビティとを接続するために前記スペーサ板を貫通して延びている、第１の端部及び第２の端部を備えた内頚部１１０とを有しており、前記内頚部の第１の端部１１２は、前記第１のキャビティ内に残留しており、前記第２の端部１１４は、前記第２のキャビティ内に残留しているものにおいて、前記内頚部を通過する流れを変向させるために、前記内頚部の第２の端部の直近に、流れ変向部材が配置されていることを特徴とする、ガスタービンにおける脈動を低減させるためのダンパ１００である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービンに関するものであって、特にガスタービンにおける脈動を低減させるためのダンパに関する。

通常のガスタービンでは大抵、不安定で変化する燃焼に基づいて、燃焼過程中に、ガスタービンの燃焼室内に音響振動が発生する。この音響振動は、非常に顕著な共振に発展することがある。燃焼室脈動として知られてもいるこのような振動からは当然、振幅と、これに関連する圧力変動とを予測することができ、これらは燃焼室自体に激しい機械負荷をかけることから、燃焼室の寿命は決定的に短縮され、最悪の場合は、燃焼室の破壊につながる恐れがある。

一般に、ヘルムホルツダンパとして知られているダンパのタイプが、ガスタービンの燃焼室内に生じる共振を減衰させるために利用されている。

特許文献１に開示されたダンパ装置は、第１のダンパを有しており、第１のダンパは、第２のダンパに直列に接続されており、第２のダンパは、ピストンによって第１のダンパから隔てられており、第１のダンパの共振周波数は、第２のダンパの共振周波数に近似している。第１の頚部が、第１のダンパの減衰容積室と第２のダンパの減衰容積室とを接続している。第１及び第２のダンパの減衰容積室を調節するために、ピストンに棒体が結合されている。

特許文献２に開示されたダンパは、固定の減衰容積と、可変の減衰容積とから成る減衰容積を有している。固定の減衰容積と、可変の減衰容積とは、ピストンによって隔てられており、ピストンは、ねじ山付きロッドの形態の調節部材によって変位させられる。調節部材が回転させられると、ピストンは減衰容積の円筒軸線に沿って移動して、様々な位置を占めることができるようになっている。減衰が生じる周波数、又は減衰がその最大値に達する周波数も、減衰容積に相応して変化する。

通常のヘルムホルツダンパの１つのタイプは、広帯域の減衰効率を提供するための、複数の減衰容積を備えている。個々の容積は、小型の平型管、すなわちいわゆる内頚部に接続されている。内頚部における平均流速は大抵、ダンパを燃焼室に接続している主頚部における平均流速よりも高くなっている。特に、小型の幾何学的な形状寸法を備えた高周波ダンパに関して、内頚部から流出する流れは、内頚部と主頚部とが同軸的に配置されていると、主頚部内に噴出し、又は内頚部から流出する流れは反対側の構造物に衝突して、複雑な流れ場を生ぜしめる。その結果、減衰効率が劇的に低下される恐れがある。付加的に、ダンパがチューナブル（整調可能）である場合、各脈動周波数に対してダンパを調節するために、ダンパは移動可能なスペーサ板又は交換可能な頚部を備えている。このダンパにおいて、減衰特性は、生ぜしめられる流れ場に著しく依存している。ダンパに設けられたスペーサ板の位置変化は、堅牢性能を得るためのダンパデザインを引き出す音響モデルの設定を不可能にする、複数の異なる流れ場に対応するものである。

ＥＰ２３９７７６０Ａ１ ＵＳ２００５／０１０３０１８Ａ１

本発明の目的は、ガスタービンにおける脈動を低減するためのダンパを提供して、ダンパの内部に安定した予測可能な流れ場を維持することができるようにし、延いてはチューニング範囲全体におけるチューナブルダンパの性能を向上させることにある。更に、本発明によるダンパは、信頼性の高いレイアウト及びデザイン、特に小型の高周波ダンパを提供することができる。

この目的を達成する、ガスタービンにおける脈動を低減させるためのダンパは、エンクロージャと、該エンクロージャから延びる主頚部と、前記エンクロージャを第１のキャビティと第２のキャビティとに分けるために前記エンクロージャ内に配置されたスペーサ板と、前記第１のキャビティと第２のキャビティとを接続するために前記スペーサ板を貫通して延びる、第１の端部と第２の端部とを備えた内頚部とを有しており、前記内頚部の第１の端部は、前記第１のキャビティ内に残留しており、前記第２の端部は、前記第２のキャビティ内に残留しており、前記内頚部を通過する流れを変向させるために、前記内頚部の第２の端部の直近に、流れ変向部材が配置されていることを特徴とする。

本発明の１つの可能な実施の形態では、流れ変向部材は、内頚部の第２の端部の直近で、内頚部の周面に配置された少なくとも１つの孔を有しており、内頚部の第２の端部は、出口が無いか、又は塞がれている。

本発明の１つの可能な実施の形態では、前記少なくとも１つの孔が、内頚部の周面に均等に配置された、少なくとも２つの孔を有している。

本発明の１つの可能な実施の形態では、流れ変向部材は、内頚部の第２の端部の直近に配置された少なくとも１つのガイド管を有しており、ガイド管の出口は、内頚部の長手方向軸線から所定の角度でずらされた方向に向けられている。

本発明の１つの可能な実施の形態では、前記少なくとも１つのガイド管は、内頚部の周面に均等に配置された、少なくとも２つのガイド管を有している。

本発明の１つの可能な実施の形態では、ガイド管の出口は、内頚部の長手方向軸線から０〜９０度の角度範囲でずらされた方向に向けられている。

本発明の実施の形態ではダンパとして作動する本発明の解決手段により、第２のキャビティ内の流れ場延いては減衰特性は、エンクロージャ内のスペーサ板の調節に関係なく一定である。

本発明の目的、利点及びその他の特徴は、例示する目的のためだけに与えられた、以下の有利な実施形態の非限定的な説明を、添付の図面を参照して読むと、より明確になる。全図にわたり、同様の部材には、同様の参照番号が用いられる。
本発明の１つの実施形態によるダンパの側面図である。 本発明の別の実施形態によるダンパの側面図である。 ガイド管の配列を示す、図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 本発明の択一的な実施形態によるダンパの側面図である。 本発明の別の択一的な実施形態によるダンパの側面図である。

以下に、本発明を実施するための形態を図面につき詳しく説明する。

図１には、本発明の１つの実施形態によるダンパ１００の側面図が示されている。ダンパ１００は、共振器として働く入口管１０２を備えたエンクロージャ１５０と、このエンクロージャ１５０とガスタービンの燃焼室（図示せず）とを連通させるためにエンクロージャ１５０から延びる主頚部１４０と、エンクロージャ１５０を第１のキャビティ１６０と第２のキャビティ１７０とに分けるためにエンクロージャ１５０内に配置されたスペーサ板１３０と、第１のキャビティ１６０と第２のキャビティ１７０とを接続するためにスペーサ板１３０を貫通して延びている、第１の端部１１２及び第２の端部１１４を備えた内頚部１１０とを有しており、この内頚部１１０の第１の端部１１２は、第１のキャビティ１６０内に残留しており、第２の端部１１４は、第２のキャビティ１７０内に残留している。

当業者が注目すべき点は、スペーサ板１３０が、エンクロージャ１５０内で固定され得る、という点である。その場合、第１のキャビティ１６０及び第２のキャビティ１７０の容積、延いてはこれらが低減することのできる共振周波数は一定のままであり続ける。或いは、スペーサ板１３０は、エンクロージャ１５０内で可動に配置され得る。その場合、第１のキャビティ１６０及び第２のキャビティ１７０の容積は、公知の方法により調節され得る。エンクロージャ１５０の入口管１０２は、エンクロージャ１５０に出入りする流体用の流路を提供するために、エンクロージャ１５０の外部のプレナムと、第１のキャビティ１６０とを連通させている。当業者は、特定の実際の適用に応じて、ダンパ１００が２つ以上の主頚部１４０、及び／又は２つ以上の内頚部１１０、及び／又は３つ以上のキャビティ１６０，１７０を有していてよい、ということを理解すべきである。

本発明の実施形態では、ダンパ１００は、内頚部１１０を通過する流体流を変向させるために、内頚部１１０の第２の端部１１４の直近に配置された、流れ変向部材を有している。当業者は、ここで使われた言葉、即ち「第２の端部の直近」が、「第２の端部の近く」及び／又は「第２の端部に」ということを意味していると理解すべきである。図１に示したように、流れ変向部材は、内頚部１１０の第２の端部１１４の直近で、内頚部１１０の周面に配置された１つの孔１１６として形成されてよい。この場合、内頚部１１０の第２の端部１１４は、そこからの流体漏れを防ぐために、出口が無いか、又は塞がれていてよい。ダンパ１００が作動すると、流体は内頚部１１０の第１の端部１１２から流入し、内頚部１１０を通って、内頚部１１０から側方に向いた孔１１６を介して流出する。これは、エンクロージャ１５０内でのスペーサ板１３０の調節に関係なく、第２のキャビティ１７０内の流れ場、延いては減衰特性を一定に保つ。

本発明の有利な実施形態では、流れ変向部材は、内頚部１１０の第２の端部１４の直近で、内頚部１１０の周面に等間隔に配置された複数の孔１１６を有していてよい。例えば、流れ変向部材は、内頚部１１０の第２の端部１１４の直近で、内頚部１１０の周面の互いに正反対の側に配置された２つの孔１１６を有していてよい（図示せず）。別の例として、流れ変向部材は、４つの孔１１６を有していてよく、これらの孔１１６は、内頚部１１０の第２の端部１１４の直近で、内頚部１１０の周面に９０度ずつ間隔をおいて、即ち等間隔に配置される（図示せず）。特定の状況において、隣り合う孔１１６間の隣接部分は、内頚部１１０の第２の端部１１４から延びているスタッドとして単純化されてよく、第２の端部１１４における内頚部１１０の終端部は、４つのスタッドによって支持されるエンドキャップと見なすことができる。

図２には、本発明の別の実施形態によるダンパ１００の側面図が示されている。図２に示したダンパが、図１に示したダンパと異なる点は、流れ変向部材が、異なる構造を有している点にある。図２に示したダンパ１００のその他の構造は、図１に示したダンパ１００のその他の構造と同様である。図２に示したように、流れ変向部材は、少なくとも１つのガイド管１１８を有していて、このガイド管１１８の第１の端部１２０は、内頚部１１０の第２の端部１１４の直近の周面に配置されており、ガイド管１１８の出口、即ち第２の端部１２２は、図３に示したように、内頚部１１０の長手方向軸線から９０度の角度でずらされた方向に向けられている。つまり、ガイド管１１８の出口は、半径方向外側に向けられている。当業者は、本明細書内で内頚部の長手方向軸線からの角度ずれが言及されている場合、内頚部１１０の第２の端部１１４から内頚部１１０の第１の端部１１２に向かう方向と、流れ変向部材の自由端部が向けられている方向との間の角度を指していることを理解すべきである。図２に示した流れ変向部材に対して択一的に、ガイド管１１８は、その第１の端部１２０において、内頚部１１０の第２の端部１１４に統合されていてよく、これにより、同じく流れ変向部材として働くことのできる一体構造が得られる（図示せず）。この場合は、流れ変向部材の流れ変向効率が、管形構造により導入される、より高いガイド能力に基づいて改善され得る。よって、第２のキャビティ１７０内に形成される流れ場は、より一層安定的に保たれる。

図３は、図２のＡ−Ａ線に沿って断面した部分を示す図であり、ガイド管１１８の配列を示している。本発明の有利な実施形態では、流れ変向部材は、４つのガイド管１１８を有していてよく、これらのガイド管１１８は、内頚部１１０の周面を取り囲むように均等に間隔をあけられており、且つ内頚部１１０の第２の端部１１４の直近の周面に配置されている。この場合、図１に示したケースと同様に、内頚部１１０の第２の端部１１４は、そこからの流体漏れを防ぐために、出口が無いか、又は塞がれていてよい。

図４は、本発明の択一的な実施形態によるダンパ１００の側面図である。図４に示すダンパ１００は概ね、図２に示したダンパ１００に類似している。図４に示したダンパ１００の相違点は、ガイド管１１８の出口が、内頚部１１０の長手方向軸線から４５度の角度でずらされて方向付けられている、即ちθ＝４５°である、という点にある。この場合、図１に示したケースと同様に、内頚部１１０の第２の端部１１４は、そこからの流体漏れを防ぐために、出口が無いか、又は塞がれていてよい。本発明の有利な実施形態では、流れ変向部材は、２つ又は４つのガイド管１１８を有していてよく、これらのガイド管１１８は、内頚部１１０の周面を取り囲むように均等に間隔をあけられており、且つ内頚部１１０の第２の端部１１４の直近の周面に配置されている（図示せず）。

図５には、本発明の別の択一的な実施形態によるダンパ１００の側面図が示されている。図５に示したダンパ１００は概ね、図２に示したダンパ１００に類似している。図５に示したダンパ１００は、ガイド管１１８が、１つのリング管の４分の１から成っていて、内頚部１１０の第２の端部１１４の直近で内頚部１１０の周面に取り付けられた第１の端部１２０と、スペーサ板１３０に向けられた、即ち反対の方向に向けられた第２の端部１２２とを備えている点において相違している。換言すると、ガイド管１１８の出口は、内頚部１１０の長手方向軸線からの角度ずれが０度で方向付けられている。本発明の有利な実施形態では、流れ変向部材は、２つ又は４つのガイド管１１８を有していてよく、これらのガイド管１１８は、内頚部１１０の周面を取り囲むように均等に間隔をあけられており、且つ内頚部１１０の第２の端部１１４の直近の周面に配置されている（図示せず）。この場合、図１に示したケースと同様に、内頚部１１０の第２の端部１１４は、そこからの流体漏れを防ぐために、出口が無いか、又は塞がれていてよい。

簡単な択一的な実施形態として、図５に示したガイド管１１８は、その第１の端部１２０において、内頚部１１０の第２の端部１１４に統合されていてよい（図示せず）。この構造は、流れ変向部材が、図５に示したように複数のガイド部材１１８を有している場合にも当てはまる。

当業者が注目すべき点は、必要に応じて、内頚部１１０から形成される流れ場を調節するために、ガイド管１１８の出口は、０〜９０度の範囲で、内頚部１１０の長手方向軸線からずらされて確定され得る、という点である。

本発明を、限定的な数の実施形態にのみ関連して詳細に説明してきたが、本発明がそのような、説明した実施形態に限定されるものではない、ということは容易に理解される。むしろ、本発明は、説明していない（但し本発明の思想及び目的に見合った）任意の数の変化態様、択一的な態様、代替的な態様、又は同等の装置を組み合わせて変化させることができる。更に、本発明の様々な実施形態を説明してきたが、本発明の態様は、説明した実施形態のうちのいくつかのみを包含していればよいということが理解されるべきである。よって、本発明は上述した説明によって限定されるものではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定されるものである。

１００ ダンパ
１０２ 入口管
１１０ 内頚部
１１２ 内頚部の第１の端部
１１４ 内頚部の第２の端部
１１６ 孔
１１８ ガイド管
１２０ ガイド管の第１の端部
１２２ ガイド管の第２の端部
１３０ スペーサ板
１４０ 主頚部
１５０ エンクロージャ
１６０ 第１のキャビティ
１７０ 第２のキャビティ

Claims (6)

1. ガスタービンにおける脈動を低減させるためのダンパであって、
   エンクロージャと、
   該エンクロージャから延びている主頚部と、
   前記エンクロージャを第１のキャビティと第２のキャビティとに分けるために前記エンクロージャ内に配置されたスペーサ板と、
   前記第１のキャビティと第２のキャビティとを接続するために前記スペーサ板を貫通して延びている、第１の端部及び第２の端部を備えた内頚部とを有しており、
   前記内頚部の第１の端部は、前記第１のキャビティ内に残留しており、前記第２の端部は、前記第２のキャビティ内に残留しているものにおいて、
   前記内頚部を通過する流れを変向させるために、前記内頚部の第２の端部の直近に、流れ変向部材が配置されていることを特徴とする、ガスタービンにおける脈動を低減させるためのダンパ。
2. 前記流れ変向部材は、前記内頚部の第２の端部の直近で、前記内頚部の周面に配置された少なくとも１つの孔を有しており、前記内頚部の第２の端部は、出口が無いか、又は塞がれている、請求項１記載のダンパ。
3. 前記少なくとも１つの孔は、前記内頚部の周面に均等に配置された少なくとも２つの孔を有している、請求項１又は２記載のダンパ。
4. 前記流れ変向部材は、前記内頚部の第２の端部の直近に配置された少なくとも１つのガイド管を有しており、該ガイド管の出口は、前記内頚部の長手方向軸線から所定の角度でずらされた方向に向けられている、請求項１から３までのいずれか１項記載のダンパ。
5. 前記少なくとも１つのガイド管は、前記内頚部の周面に均等に配置された少なくとも２つのガイド管を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載のダンパ。
6. 前記ガイド管の出口は、前記内頚部の長手方向軸線から０〜９０°の角度範囲でずらされた方向に向けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載のダンパ。