JP2015086877A

JP2015086877A - ガスタービン用のダンパ

Info

Publication number: JP2015086877A
Application number: JP2014218867A
Authority: JP
Inventors: トノンデヴィス; Tonon Devis; ルーベンボティエンミルコ; Ruben Bothien Mirko; マリージェナンフランクリン; Marie Genin Franklin; アンソニーペネルダグラス; Douglas Anthony Pennell
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2013-10-28
Filing date: 2014-10-28
Publication date: 2015-05-07
Also published as: EP2865947A1; US20150113992A1; US10036327B2; CN104566457B; EP2865947B1; CN104566457A

Abstract

【課題】擦過流の有害な影響を効果的に緩和し、それゆえ強い擦過流が存在する場所にもダンパの配置を可能にするガスタービン用のダンパを提供する。
【解決手段】共鳴器空洞部１１と、共鳴器空洞部１１とチャンバ１４とに通流可能に連通する頸部１２と、を備え、頸部１２は、チャンバ１４と連通する開口部１３を有し、チャンバ１４内の空気流は、頸部１２の開口部１３を越えて流れるようになっている、ガスタービンのチャンバ１４内の脈動を低減するダンパにおいて、頸部１２は、頸部１２の開口部１３の長手方向軸線がチャンバ１４内の空気流の方向に対して０°〜９０°の角度をなしているように構成されているようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービンに係り、特にガスタービンのチャンバ内の燃焼ダイナミクスを低減するダンパに関する。

本明細書における燃焼ダイナミクス（ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｄｙｎａｍｉｃｓ）は、脈動、音響振動、圧力変動、速度変動及び騒音を含むが、これに限らない。本明細書におけるガスタービンのチャンバは、燃焼室だけでなく、燃焼ダイナミクスが存在する空気通路、プレナム及びこれに類するものも含む。

従来慣用のガスタービンにおいて、音響振動は、通常、ガスタービンのチャンバ内で発生する。チャンバなる用語は、燃焼ダイナミクスが存在する何らかのガス体積を意味する。これらのチャンバ内を、ガス（例えば燃料と空気の混合物又は排気ガス）は、高速で流動し、騒音を引き起こす。さらに燃焼室内での空気と燃料の燃焼も、騒音を引き起こす。この音響振動は、顕著な共振に発展する場合がある。燃焼室脈動としても周知のこのような振動は、燃焼室自体に厳しい機械的負荷を課す振幅及び関連する圧力変動を示す場合があり、このような機械的負荷は、燃焼室の寿命を大幅に縮め、最悪の場合、燃焼室の破壊に至らしめる恐れすらある。

音響振動騒音を低減するために、ヘルムホルツ共鳴器、２分の１波長管、４分の１波長管等の音響減衰装置又はその他形式の減衰装置を設置することが当該技術分野において周知である。

一例として、図１は、従来慣用のヘルムホルツ共鳴器の配置を略示している。図示のように、ヘルムホルツ共鳴器１０は、頸部１２を介してチャンバ１４に接続される共鳴器空洞部１１を有する。頸部１２は、頸部１２の出口端に開口部１３を有する。チャンバ１４は、図１にその一部のみが示されており、チャンバ１４の内表面１５が看取可能である。

ヘルムホルツ共鳴器の原理についてここで説明する。共鳴器空洞部１１は、空洞部内の空気の膨張及び収縮のためのばねとして働く。頸部１２内の空気は、このばねに接続された質量体（マス）として挙動する。この系は、単数又は複数の共振周波数を有している。音波が、ダンパの共振周波数の１つに近い周波数をもって、頸部の開口部に作用すると、ダンパは、このような脈動を低減又は減衰する。空気塊は、空洞部のばね効果に起因して振動する。頸部を通した空気の振動は、頸部における渦の離脱を引き起こす。こうして音響エネルギは、空気力学的エネルギに変換される。この空気力学的エネルギは、最終的に熱として消散する。強化された消散は、しばしば、ダンパの頸部を通るガスの流れによりもたらされる。これは、通流又はバイアス流を意味する。

しかしながら、頸部１２の開口部１３を越えて流れるチャンバ内のガス流（以下の説明では、擦過流という）は、減衰性能に影響を及ぼす場合がある。特に本発明の発明者は、ダンパの頸部を通る空気流（以下の説明では、バイアス流という）と比較して高い擦過流の速度が、ダンパの性能に有害な影響を有していることを見出した。ダンパの性能の低下を回避するために、現行の解決手段では、擦過流の速度がバイアス流の速度と比較してそれほど高くないチャンバの領域にダンパを配置している。しかしながら、ある状況下において、ダンパの好ましい配置は、高速の擦過流が支配する領域である。

それゆえ本発明の課題は、擦過流の有害な影響を効果的に緩和し、それゆえ強い擦過流が存在する場所にもダンパの配置を可能にするガスタービン用のダンパを提供することである。

上記課題は、ガスタービンのチャンバ内の脈動を低減するダンパであって、共鳴器空洞部と、共鳴器空洞部とチャンバとに通流可能に連通する頸部と、を備え、頸部は、チャンバと連通する開口部を有し、チャンバ内の空気流は、頸部の開口部を越えて流れるようになっている、ガスタービンのチャンバ内の脈動を低減するダンパにより解決される。頸部は、頸部の開口部の長手方向軸線がチャンバ内の空気流の方向に対して０°〜９０°の角度をなしているように構成されている。

このような頸部の幾何学形状は、減衰性能に対する擦過流の有害な影響を低減又は解消する、開口部における流れの分布を引き起こす。

可能な一態様において、頸部は、チャンバ内に突入し、チャンバ内の空気流の方向に沿って曲げられており、頸部の開口部の長手方向軸線は、チャンバ内の空気流の方向に対して０°〜９０°をなしている。

可能な別の態様において、頸部は、チャンバ内に突入し、頸部の開口部の長手方向軸線がチャンバ内の空気流の方向と合致するように曲げられている。すなわち頸部は、開口部の長手方向軸線が上記空気流の方向に対して０°をなしているように、この空気流の方向に沿って曲げられている。

可能な別の態様において、頸部は、チャンバ内に突入し、頸部の開口部の長手方向軸線がチャンバ内の空気流の方向に対して９０°をなしているように曲げられている。

可能な別の態様において、頸部は、傾斜した通路として形成されており、傾斜した通路の長手方向軸線は、チャンバ内の擦過流の方向に対して鋭角をなしている。この傾斜した頸部は、頸部から出るバイアス流の、擦過流との流体力学的な相互作用を変更する。このことは、ダンパの頸部から出るバイアス流の通流を制限しようとする擦過流の傾向を変化させる。このことは、ダンパの音響特性に対する擦過流の影響を変更する効果を有する。

可能な別の態様において、頸部の開口部は、片側で、頸部を通る流れをチャンバ内の流れの方向に対して平行な方向に変向させるシールドにより覆われている。

本発明に係るダンパは、単数又は複数の減衰容積を有するヘルムホルツ共鳴器、２分の１波長管、４分の１波長管、マルチボリュームダンパ、ライナ又はあらゆる種類のフロースルー音響ダンパを含んでいてもよい。

本発明に係るダンパにより、減衰性能は、燃焼室内の強い擦過流による影響を受けない。

本発明の対象、利点及びその他の特徴は、以下に限定を目的とせず、単に例示を目的として添付の図面を参照しながら行う好ましい実施の形態についての説明を一読すれば、より明確となる。図中、同じ参照符号は、同様の要素を指し示すために使用されている。

従来技術におけるダンパ及び燃焼室の概略図である。本発明の第１の実施の形態の概略図である。本発明の第１の実施の形態の概略平面図である。本発明の第２の実施の形態の概略図である。本発明の第２の実施の形態の概略平面図である。本発明の第３の実施の形態の概略図である。本発明の第４の実施の形態の概略図である。

図１は、ガスタービンにおいて使用される既に上で説明した従来慣用のダンパ１０の配置を示している。擦過流３０、すなわちチャンバ１４内のガス流は、頸部１２の開口部１３を越えて流動する。一方、バイアス流２０、すなわち頸部１２を通るガス流は、擦過流３０に対して垂直にチャンバ１４内に流入する。上で言及したように、本発明の発明者は、試験を通じて、バイアス流に対する擦過流の比の増加が、ダンパの頸部から出るバイアス流の通流を制限する傾向にあることを見出した。それゆえダンパの減衰性能は、明らかに低下してしまう。

図２は、本発明の第１の実施の形態を示している。図２に略示するように、ダンパ１０は、ガスタービンのチャンバ１４内の脈動を低減すべく配置されている。ダンパ１０は、共鳴器空洞部１１と頸部１２とを有している。頸部１２は、共鳴器空洞部１１とチャンバ１４の内部とに通流可能に連通している。頸部１２は、チャンバ１４と連通する開口部１３を有している。チャンバ１４内のガス流、すなわち擦過流３０は、頸部１２の開口部１３を越えて流れ、ガス流、すなわちバイアス流２０は、頸部１２を通過する。頸部１２は、チャンバ１４内に突入している。一方、頸部１２は、擦過流３０の流動方向に沿って曲げられている。本発明の第１の実施の形態において、頸部１２は、頸部１２の開口部１３の長手方向軸線が擦過流３０の方向と合致するように曲げられている。すなわち頸部１２は、開口部１３の長手方向軸線が擦過流３０の方向に対して０°をなしているように擦過流３０の流動方向に沿って曲げられている。本第１の実施の形態では、開口部１３の長手方向軸線が擦過流３０の方向に対して０°をなしているが、当該技術分野に属する通常の知識を有するものにとって、擦過流３０の方向に対して小さな角度を有する変化態様も本第１の実施の形態と等価であることは、自明である。

図３は、図２に示したダンパ１０の平面図である。図３で見て頸部１２の上下に示された曲線は、擦過流３０の空気流領域を略示している。頸部１２がチャンバ１４の擦過流領域内に突入し、擦過流３０の方向に沿って曲げられているので、擦過流３０の速度が十分に高い場合、頸部１２は、図３に曲線により示すように擦過流３０の分離、ひいてはその結果としての擦過流低速領域の形成に至らしめる。それゆえ頸部１２からのバイアス流２０に対する擦過流３０の有害な干渉はさらに緩和され、減衰性能は改善される。

第１の実施の形態によれば、バイアス流２０に対する擦過流３０の有害な影響は、まず、ダンパ１０の頸部１２の開口部１３の上述の構成を通した、擦過流３０に対するバイアス流２０の整列により低減可能である。さらに頸部１２が、擦過流３０を変向させ、開口部１３の周りに擦過流低速領域を形成するので、このことは、音響特性に対する擦過流３０の有害な影響を低減する付加的な一助をなす。

図４は、本発明の第２の実施の形態を示している。第２の実施の形態におけるダンパ１０の基本構造は、第１の実施の形態におけるダンパ１０の基本構造と類似している。頸部１２は、やはりチャンバ１４内に突入している。第１の実施の形態との相違点は、頸部１２の開口部１３の長手方向軸線が擦過流３０の方向に対して９０°をなしているように頸部１２が曲げられている点にある。図４に示すように、特に頸部１２は、時計回りに曲げられており、擦過流３０の方向に対して９０°をなしている。本第２の実施の形態では、開口部１３の長手方向軸線が、擦過流３０の方向に対して９０°をなしているが、当業者にとって、擦過流３０の方向に対して９０°から多少上下する角度を有する変化態様も、本第２の実施の形態と等価であり、それゆえ本発明に含まれていることは、自明である。

図５は、図４に示したダンパ１０の平面図である。第１の実施の形態と同様、頸部１２は、擦過流３０の速度が十分に高い場合、図５に曲線により示すように擦過流３０の分離、ひいてはその結果としての擦過流低速領域の形成に至らしめるように、チャンバ１４の擦過流領域内に突入し、かつ曲げられている。このことは、音響特性に対する擦過流３０の有害な効果を低減する一助となる。

上述の第１及び第２の実施の形態は、それぞれ、チャンバ１４内に突入し、その開口部１３の長手方向軸線が擦過流３０の方向に対して０°及び９０°をなしているように曲げられた頸部１２を有するダンパ１０に限定している。当業者にとって、燃焼室内に突入し、擦過流３０の方向に沿って開口部１３の長手方向軸線が擦過流３０の方向に対して０°〜９０°をなしているように曲げられた頸部１２も、本発明の対象をなし、それゆえ本発明に含まれていることは、自明である。

図６は、本発明の第３の実施の形態を示している。本実施の形態において、頸部１２は、チャンバ１４内に突入しておらず、共鳴器空洞部１１とチャンバ１４の内部とを連通させる傾斜した通路として形成されている。頸部１２は、頸部１２の長手方向軸線が擦過流３０の方向に対して鋭角をなしているように形成されている。この傾斜した頸部１２は、開口部１３から出るバイアス流２０の、擦過流３０との流体力学的な相互作用を変化させる。このことは、ダンパ１０の頸部１２から出るバイアス流２０の通流を制限しようとする擦過流３０の傾向を変化させ、それゆえダンパ１０の音響特性に対する擦過流３０の影響を緩和する。これにより減衰性能は改善される。

図７は、本発明の第４の実施の形態を示している。基本的な構成は、類似している。すなわち頸部１２は、共鳴器空洞部１１とチャンバ１４とに連通されている。頸部１２の開口部１３は、一方の側でシールド１６により覆われている。シールド１６は、頸部１２を横切るように流れる擦過流３０に対して平行な方向にバイアス流２０を変向させる。燃焼室１４の内表面１５とシールド１６との間の容積は、頸部１２の一部として機能する。それゆえ頸部１２からのバイアス流２０に対する擦過流３０の有害な干渉は緩和され、減衰性能は改善される。

付言すると、本発明に係るダンパは、単数又は複数の減衰容積を有するヘルムホルツ共鳴器を含み、さらに２分の１波長管、４分の１波長管、マルチボリュームダンパ、ライナ又は当該技術分野において公知のあらゆる種類のフロースルー音響ダンパも含む。本発明で言うところのチャンバは、燃焼ダイナミクスが存在する燃焼室、混合室、空気通路、プレナム等であってもよい。

限られた数の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明したが、本発明がこのような開示した実施の形態に限定されないことは、自明である。むしろ、本発明は、前述していないものの、本発明の思想及び本発明の範囲と同等のあらゆる変更、改変、置換又は等価の構成を含むように変更されてもよい。加えて、本発明の様々な実施の形態を説明したが、当然のことながら、本発明の態様は、説明した実施の形態のうちの幾つかだけを含むものであってもよい。したがって、本発明は、前述の説明により限定されると見なされるべきではなく、添付の請求項に記載の範囲によってのみ限定される。

１０ダンパ、１１共鳴器空洞部、１２頸部、１３開口部、１４チャンバ、１５チャンバの内表面、１６シールド、２０バイアス流、３０擦過流、４０擦過流低速領域

Claims

ガスタービンのチャンバ内の脈動を低減するダンパであって、
共鳴器空洞部（１１）と、
前記共鳴器空洞部（１１）と前記チャンバ（１４）とに通流可能に連通する頸部（１２）と、
を備え、前記頸部（１２）は、前記チャンバ（１４）と連通する開口部（１３）を有し、前記チャンバ（１４）内の空気流は、前記頸部（１２）の開口部（１３）を越えて流れるようになっている、ガスタービンのチャンバ内の脈動を低減するダンパにおいて、
前記頸部（１２）は、該頸部（１２）の開口部（１３）の長手方向軸線が前記チャンバ（１４）内の空気流の方向に対して０°〜９０°の角度をなしているように構成されていることを特徴とする、ガスタービンのチャンバ内の脈動を低減するダンパ。
前記頸部（１２）は、前記チャンバ（１４）内に突入し、該チャンバ（１４）内の空気流の方向に沿って曲げられており、前記頸部（１２）の開口部（１３）の長手方向軸線は、前記チャンバ（１４）内の空気流の方向に対して０°〜９０°をなしている、請求項１記載のダンパ。
前記頸部（１２）は、前記チャンバ（１４）内に突入し、前記頸部（１２）の開口部（１３）の長手方向軸線が前記チャンバ（１４）内の空気流の方向と合致するように曲げられている、請求項２記載のダンパ。
前記頸部（１２）は、前記チャンバ（１４）内に突入し、前記頸部（１２）の開口部（１３）の長手方向軸線が前記チャンバ（１４）内の空気流の方向に対して９０°をなしているように曲げられている、請求項２記載のダンパ。
前記頸部（１２）は、傾斜した通路として形成されており、該傾斜した通路の長手方向軸線は、前記チャンバ（１４）内の空気流の方向に対して鋭角をなしている、請求項１記載のダンパ。
前記頸部（１２）の開口部（１３）は、片側で、前記頸部（１２）を通る流れ（２０）を前記チャンバ（１４）内の空気流の方向に対して平行な方向に変向させるシールド（１６）により覆われている、請求項１記載のダンパ。
単数又は複数の減衰容積を有するヘルムホルツ共鳴器、２分の１波長管、４分の１波長管、マルチボリュームダンパ、ライナ又はあらゆる種類のフロースルー音響ダンパを含む、請求項１から６までいずれか１項記載のダンパ。