JP2016528470A

JP2016528470A - 音響を減衰させるための装置および方法

Info

Publication number: JP2016528470A
Application number: JP2016534812A
Authority: JP
Inventors: ワン，シャンウー; デイニス，アレン・マイケル; ハン，フェイ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2013-08-13
Filing date: 2014-08-13
Publication date: 2016-09-15
Also published as: WO2015023733A1; CA2920540A1; CN105452773A; EP3033573A1; US20170074515A1; CN105452773B; BR112016001747A2

Abstract

ガスタービンエンジン燃焼器（１４）の燃焼器壁（２４）によって部分的に収容されるガス流の音圧振動を減衰させるための装置（８）。装置（８）は、閉鎖端（１６）、開放端（１８）、およびこれらの間のキャビティ（２０）を有する少なくとも１つの共振管（１０）を含む。キャビティ（２０）は、ガス流がキャビティ（２０）に流入し、それから流出することができるように、燃焼器（１４）の内部（２２）と流体連通する。装置（８）は、開放端（１８）に配置され、複数の開口（２８）を含む多孔板（２６）をさらに含む。キャビティ（２０）に流入し、それから流出するガス流は、開口（２８）を通って移動する。【選択図】図１

Description

本出願はタービンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジン燃焼器内の動的圧力パルスを制御する音響減衰装置に関する。

破壊的な音圧振動すなわち圧力パルスは、燃料と空気との化学量論比、総質量流量、および他の運転条件に応じて、通常動作条件の結果としてガスタービンエンジンの燃焼器内で生成され得る。連邦および地域の大気汚染基準を満たすために必要な低排出物に向けたガスタービン燃焼器設計の現在の傾向は、燃料と空気とが炎反応領域の上流側で均質に混合される希薄予混合燃焼システムを使用する結果になっている。これらの燃焼システムが動作する燃空比または当量比は、低い火炎温度を維持して、望ましくないガス状ＮＯｘ排出物の生成を許容可能なレベルに制限するために、より従来型の燃焼器と比較して非常に「希薄」である。水または蒸気噴射を使用せずに低排出物を達成するこの方法は広く用いられているが、低当量比での動作に伴う燃焼の不安定性はまた、ハードウェア損傷および他の動作の問題となり得る燃焼器内の許容できないほど高い動圧振動を生じさせる傾向がある。望ましくない音響の共振周波数の変化もまた、圧力振動の結果である。当技術分野における現在の装置は、動圧振動を除去し、防止し、または低減することを目的としているが、動作中に固有振動数が変化し得る状況に対処することができず、適切に機能するためにタービンエンジン内の特定の位置に限定されている。したがって、当技術分野におけるこれらのおよび他の問題に対処する装置が必要となる。

米国特許出願公開第２０１２／２０４５３４号明細書

そのために、様々な周波数で、かつ、装置の位置に関わらず、燃焼器内の圧力の変化に関係する音響を減衰させるように構成された装置が提供される。いくつかの複雑なおよび／または動く部分を有する複雑なシステムを使用すること、あるいは位相補償（燃焼プロセスからの入射音波と位相がずれている反射音波を生成することによる）のみを用いて圧力を減衰させるように設計された特定の寸法を含む装置を設計することに委ねるのではなく、本発明は、燃焼器に対する装置の配置に関わらず、簡素で効果的に圧力を減衰させることを目的とする。

一実施形態では、ガスタービンエンジン燃焼器の燃焼器壁によって部分的に収容されるガス流の音圧振動を減衰させるための装置が提供される。本装置は、閉鎖端と、開放端と、これらの間のキャビティと、を有する少なくとも１つの共振管を含む。キャビティは、ガス流がキャビティに流入し、かつキャビティから流出することができるように、燃焼器の内部と流体連通する。本装置は、開放端に配置され、複数の開口を含む多孔板をさらに含み、キャビティに流入し、かつキャビティから流出するガス流は、開口を通って移動する。

別の実施形態では、ガスタービンエンジン燃焼器の１／４波長管（ＱＷＴ）に後付け可能な装置が提供される。装置は、燃焼器の減衰する音圧振動に対する１／４波長管の有効性の範囲を増加させるように適合され、音圧振動は共振周波数で共振する。装置が後付けされた１／４波長管は、目標周波数で音圧振動を減衰させるように構成され、目標周波数は共振周波数の約２５０Ｈｚ以内である。

別の実施形態では、ガスタービンエンジン燃焼器の燃焼器壁によって部分的に収容されるガス流の音圧振動を減衰させる方法が提供される。本方法は、ガス流が共振管のキャビティに流入し、かつキャビティから流出することができるように、キャビティを燃焼器の内部と流体連通させるステップを含む。燃焼器は、閉鎖端と、開放端と、これらの間にキャビティと、を含む。本方法は、共振管の開放端に多孔板を配置するステップをさらに含み、多孔板は複数の開口を含み、キャビティに流入し、かつキャビティから流出するガス流は、開口を通って移動する。

ハウジングを含む、ガスタービンエンジン燃焼器内の音響を減衰させるための装置を示す図である。図１の装置の後方斜視図である。図１の装置の側面図である。図１の装置の斜視断面図であり、キャビティを示している。従来技術による装置の音響減衰の有効性のプロットを示す図である。本発明の一実施形態の音響減衰の有効性のプロットを示す図である。従来技術の少なくともガス流および温度特性を模式的に示す図である。本発明の一実施形態に関係する少なくともガス流および温度特性の影響を模式的に示す図である。

図１〜図４を参照すると、装置８は、ハウジング１２で少なくとも部分的に包まれた共振管１０を含む。図示するハウジング１２は任意であり、いくつかの実施形態では、共振管１０が燃焼器１４により収容されたガス流の音圧振動を減衰させることができるように、燃焼器１４に対して共振管１０を固定することを助けるために用いることができる。共振管は、パージ孔１５を有する。共振管１０は、閉鎖端１６、開放端１８、およびこれらの間のキャビティ２０を含む。共振管１０は、ガス流がキャビティ２０に流入し、それから流出することができるように、燃焼器１４の内部２２と流体連通するように配置される。開放端１８は、燃焼器１４の内面２４と本質的に同一平面上にある。図１〜図４は、共振管１０の長さの一部のみを示しているが、共振管１０は図示したものより長い長さを有することができることを理解されたい（たとえば、図８を参照のこと）。

多孔板２６は、開放端１８に配置され、キャビティ２０に流入し、それから流出するガス流が開口２８を通過するように複数の開口２８を含む。ただ１つの多孔板２６が図示されているが、２つ以上の多孔板２６を用いることが可能である。さらに、他の実施形態では、多孔板２６は図示するものより多いまたは少ない開口２８を有してもよいし、開口２８は図示するものとは異なる形状であってもよい。さらに、多孔板２６は、共振管１０の残りの部分と一体であってもよいし、あるいは共振管１０の開放端１８にまたはその近くに固定することができる別個の構成部品であってもよい。たとえば、多孔板２６は、燃焼器の既存の１／４波長管に後付けすることができる。この目的のために、多孔板２６の一実施形態は、ガスタービンエンジン燃焼器の既存の１／４波長管の上またはその中に後付けされる。装置８の異なる実施形態と同一または類似の利益を提供するために、多孔板２６を燃焼器の既存の１／４波長管に後付けしてもよいことが理解されよう。

燃焼器の動作に伴う動的圧力パルスすなわち音圧振動は、ガスタービンエンジンに過度の機械的ストレスを与えることが理解されよう。連邦および地域の大気汚染基準を満たすために必要な低ＮＯｘ排出物に向けたガスタービン燃焼器設計の現在の傾向は、予混合燃焼システムを使用する結果になっており、予混合燃焼システムでは、燃料および空気が比較的開いたフロータイプの渦流混合器を用いて火炎反応領域の上流側で均一に混合されるが、渦流混合器は、音響振動または圧力波がタービン入口ガイドベーンの段と圧縮機出口ガイドベーンの段との間を、本質的に妨げられずに、さらに燃焼器の全長にわたって往復することを可能にするフィードバックループを確立する。このような燃焼器の一例は、米国特許第７，０５９，１３５号に開示されており、全体として参照により本明細書に組み込まれる。これらの燃焼システムが動作する燃空比または当量比は、低い火炎温度を維持して、ガス状ＮＯｘ排出物を要求されるレベルに制限するために、従来の燃焼器と比較して非常に「希薄」である。水または蒸気噴射を使用せずに低排出物を達成するこの方法は広く用いられているが、低当量比での動作に伴う燃焼の不安定性はまた、ハードウェア損傷および他の動作の問題となる燃焼器内の許容できないほど高い動圧振動を生じさせる。この目的のために、本明細書に記載する技術により、燃焼器内での音圧振動による圧力パルスを抑制または減衰させるための装置が開発された。当技術分野における他の装置とは異なり、装置８は、タービンエンジンの「低温側」または「高温側」で有効に使用することができる。「低温側」は、本明細書で説明するように、空気／燃料混合器の上流側の領域を指し、「高温側」は空気／燃料混合器の下流側の領域を指すものとする。

図５は、当技術分野で知られている典型的な１／４波長管の有効性を示すグラフである。図示するように、燃焼器１４内での音圧振動の共振または実際の周波数が目標周波数の約２５Ｈｚ以内でなければ、吸収係数は一般的に０．４すなわち４０％未満である。特定の明示された値（たとえば周波数の）が特定の値の「約ｎ（たとえばＨｚ）以内」であるかどうかを記載する場合には、明示された値は、特に断らない限り、プラスまたはマイナス約ｎ以内であることを意味する。本明細書で使用される「目標周波数」は、燃焼器１４が動作する範囲、または減衰させる装置が最も効果的である（すなわち、吸収係数が約１すなわち１００％である）ように設計される周波数を記述することを意味する。「共振周波数」は、音圧振動が発生している時間を含んで燃焼器１４が動作している実際の周波数を記述することを意味する。従来技術の典型的な１／４波長管は、音圧振動の１００％を減衰させるには、非常に狭い範囲においてのみ有効であり、それは吸光係数が１すなわち１００％に等しくなる点で示されている。

図６は、本明細書に開示する装置８の一実施形態の音圧振動を減衰させる際の有効性のグラフを示す。目標周波数の約２５Ｈｚ以内で有効なのではなく、共振管１０は、目標周波数の約２５０Ｈｚ以内で共振する音圧振動を減衰させるように構成されている。有効性（吸収係数により示す）は、実際の共振周波数が目標周波数から離れるにつれて減少しているが、本明細書で説明する共振管１０は、当技術分野で公知の装置よりも、より効果的に音圧振動を減衰させる。図示するように、共振周波数が目標周波数の約２５０Ｈｚ以内である場合には、共振管１０は音圧振動の少なくとも４０％を減衰させるように構成されている。さらに、共振周波数が目標周波数の約１５０Ｈｚ以内である場合には、共振管１０は音圧振動の少なくとも６０％を減衰させるように構成されている。またさらに、共振周波数が共振周波数の約１００Ｈｚ以内である場合には、共振管１０は音圧振動の少なくとも８０％を減衰させるように構成されている。

図５および図６に示す動作周波数のこのような範囲は、燃焼器１４の一実施形態に特有のものであり、図５および図６に示したものよりも低いか高いかに関わらず、装置８が他の周波数範囲に関して説明したように有効であることが理解される。希薄な燃焼器が異なる出力レベルで動作すると、関連する燃料ステージングが燃焼器内で異なる周波数で生じることになり、それは１００Ｈｚ間隔であり得る。出力レベルが変化する場合に生じる共振周波数の範囲が広いために（本明細書で説明するように、望ましくない音響をもたらす）、従来技術のＱＷＴは燃焼器１４の動作の重要な部分で効果がない。

本明細書で説明する装置８の有効性は、多孔板２６の配置から生じるバイアス流に部分的に起因する。典型的なＱＷＴの場合のように、位相補償（燃焼プロセスからの入射音波と位相がずれている反射音波を生成することによる）だけに頼るのではなく、本明細書で開示する装置８、および結果として生じるバイアス流は、圧力振動をとりわけ粘性により生じる熱に減衰させる。図７（最悪条件）は、従来技術のＱＷＴの温度変動ならびにＱＷＴおよび燃焼器で生成された渦流を示し、図８は、本明細書で説明する共振管１０の一実施形態による同様の特性を示す。本明細書で開示する共振管１０の第１の効果は、多孔板２６を含む共振管１０の温度が共振管１０自体の内部の温度を低下させることである。従来技術の図では、本開示の図と比較して、（上昇した温度の領域で示すように）共振管１０内により多くの吸い込まれた高温ガスが見える。音速は温度に比例するので、高温ガスの吸込みは従来技術の装置の有効性をさらに減少させ、音響（音圧振動など）の波長は音速に依存する。したがって、ＱＷＴ内の温度の上昇は、振動の波長を変化させる。典型的なＱＷＴは特定の音響波長で有効に動作するように設計されているので、波長の変化はＱＷＴの有効性を減少させる。

図８（最悪条件）を見ると、本明細書に開示する装置８は、部分的にバイアス流によって前述の高温ガスの吸込みを防止することができる。共振管１０から流出するバイアス流は、共振管１０に入る高温燃焼ガスをより少なくすることを可能にして、共振管１０の内部温度を低下させ、したがって、上述した理由により、より高い有効性に寄与する。本明細書で説明する共振管１０の実施形態は、その長さをタービンエンジン内の音響の波長に一致させることのみに頼らないが、共振管１０内の温度上昇による波長の変化を防止することにより、有効性を高めることができる。

装置８の第２の効果は、望ましくない音響エネルギーを渦エネルギーに変換することである。渦エネルギーは、最終的に減衰または散逸し、燃焼器１４内でガス流の粘性により熱に変換される。オリフィスを横切る流れ振動によって生じる渦（ＱＷＴには示しているが、燃焼器１４には示していない）は、乱流粘性を増加させ、燃焼器１４内の熱の放散をもたらす。さらに、装置８の多孔板２６によるバイアス流は、少なくとも燃焼器１４の壁に沿って粘性を低下させる。バイアス流はまた、吸収係数（図６を参照）が増加するように音圧振動を吸収する。

本発明について様々な好適な実施形態の説明により例示し、これらの実施形態についてある程度詳細に説明してきたが、添付の特許請求の範囲をそのような詳細な記述に制限する、あるいはいかなる形であれ限定することは、本出願人の意図ではない。さらなる利点および変更は、当業者には容易に明らかになろう。本発明の様々な特徴は、必要性およびユーザの選択に応じて、単独でまたは任意の組み合わせで用いることができる。これは、現在知られている本発明を実施する好適な方法と共に、本発明の説明となっている。このような他の実施例が請求項の文字通りの言葉と異ならない構造要素を有する場合、または、それらが請求項の文字通りの言葉と実質的な差異がなく等価な構造要素を含む場合には、このような他の実施例は特許請求の範囲内であることを意図している。

８装置
１０共振管
１２ハウジング
１４燃焼器
１５パージ孔
１６閉鎖端
１８開放端
２０キャビティ
２２内部
２４内面
２６多孔板
２８開口

Claims

ガスタービンエンジン燃焼器（１４）の燃焼器の内面（２４）によって部分的に収容されるガス流の音圧振動を減衰させるための装置（８）であって、前記装置（８）は、
閉鎖端（１６）と、開放端（１８）と、これらの間のキャビティ（２０）と、を有する少なくとも１つの共振管（１０）であって、前記キャビティ（２０）は、前記ガス流が前記キャビティ（２０）に流入し、かつ前記キャビティ（２０）から流出することができるように、前記燃焼器の内部（２２）と流体連通する、少なくとも１つの共振管（１０）と、
前記開放端（１６）に配置され、複数の開口（２８）を含む多孔板（２６）と、を含み、
前記キャビティ（２０）に流入し、かつ前記キャビティ（２０）から流出する前記ガス流は、前記開口（２８）を通って移動する、装置（８）。
前記キャビティ（２０）から流出する前記ガス流は、バイアス流の形態である、請求項１に記載の装置（８）。
前記キャビティ（２０）から流出する前記ガス流は、前記ガス流の粘性を低下させるように構成される、請求項１に記載の装置（８）。
前記共振管（１０）は、空気／燃料混合器の上流側に配置される、請求項１に記載の装置（８）。
前記共振管（１０）は、空気／燃料混合器の下流側に配置される、請求項１に記載の装置（８）。
前記燃焼器（１４）の動力出力は可変である、請求項１に記載の装置（８）。
前記共振管（１０）は、中空の円筒形状を有する、請求項１に記載の装置（８）。
前記燃焼器（１４）の音圧振動は、共振周波数で共振し、
前記共振管（１０）は、目標周波数で共振する前記音圧振動を減衰させるように構成され、前記目標周波数は、前記共振周波数の約２５０Ｈｚ以内である、請求項１記載の装置（８）。
前記共振管（１０）は、前記共振周波数が前記目標周波数の約２５０Ｈｚ以内である場合に、前記音圧振動の少なくとも４０％を減衰させるように構成される、請求項８に記載の装置（８）。
前記共振管（１０）は、前記共振周波数が前記目標周波数の約１５０Ｈｚ以内である場合に、前記音圧振動の少なくとも６０％を減衰させるように構成される、請求項８に記載の装置（８）。
前記共振管（１０）は、前記共振周波数が前記目標周波数の約１００Ｈｚ以内である場合に、前記音圧振動の少なくとも８０％を減衰させるように構成される、請求項８に記載の装置（８）。
前記目標周波数は、約３００Ｈｚと約５００Ｈｚとの間である、請求項８に記載の装置（８）。
ガスタービンエンジン燃焼器（１４）の１／４波長管に後付け可能な装置（８）であって、
前記装置は、前記燃焼器（１４）の減衰する音圧振動に対する前記１／４波長管の有効性の範囲を増加させるように適合され、
前記音圧振動は、共振周波数で共振し、
前記装置（８）が後付けされた前記１／４波長管は、目標周波数で前記音圧振動を減衰させるように構成され、前記目標周波数は、前記共振周波数の約２５０Ｈｚ以内である、装置（８）。
前記１／４波長管は、空気／燃料混合器の上流側に配置される、請求項１３に記載の装置（８）。
前記１／４波長管は、空気／燃料混合器の下流側に配置される、請求項１３に記載の装置（８）。
多孔板（２６）としてさらに画定される、請求項１３に記載の装置（８）。
前記１／４波長管の開放端（１８）に配置され、前記開放端（１８）は燃焼器の内部（２２）と連通する、請求項１６に記載の装置（８）。
ガスタービンエンジン燃焼器（１４）の燃焼器の内面（２４）によって部分的に収容されるガス流の音圧振動を減衰させる方法であって、
前記ガス流が共振管（１０）のキャビティ（２０）に流入し、かつ前記キャビティ（２０）から流出することができるように、前記キャビティ（２０）を前記燃焼器の内部（２２）と流体連通させるステップであって、前記燃焼器（１４）は、閉鎖端（１６）と、開放端（１８）と、これらの間に前記キャビティ（２０）と、を有する、ステップと、
前記共振管（１０）の前記開放端（１８）に多孔板（２６）を配置するステップと、を含み、前記多孔板（２６）は複数の開口（２８）を含み、
前記キャビティ（２０）に流入し、かつ前記キャビティ（２０）から流出する前記ガス流は、前記開口（２８）を通って移動する、方法。
前記燃焼器（１４）の音圧振動は、共振周波数で共振し、前記方法は、目標周波数で共振する音圧振動を減衰させるステップをさらに含み、前記目標周波数は前記共振周波数の約２５０Ｈｚ以内である、請求項１８に記載の方法。
前記目標周波数は、約３００Ｈｚと約５００Ｈｚとの間である、請求項１８に記載の方法。