JP2017532478A - タービンシステム用の吸音処理アセンブリ - Google Patents

Abstract

タービンシステムで音響減衰するための吸音処理アセンブリを提供する。タービンシステム用の吸音処理アセンブリ（５０）は、流体の流れがそこを通ることを可能にするように構成された流路を有するタービンシステムの領域を含む。また、流路内に配置された少なくとも１つの音響減衰構造体（５２）も含まれる。音響減衰構造体は、実質的に剛性のフレーム（５４）と、保持枠に保持された可撓性膜（５６）とを含む。【選択図】図５

Description

本明細書で開示される主題は、タービンシステムに関し、より詳細には、タービンシステムで音響減衰するための吸音処理アセンブリに関する。

タービンシステムは、典型的には、動作中にかなりの騒音を発生する。騒音レベルは、特定の環境では規制されていることがあり、このような規制への準拠は、典型的には、高コストで、しばしば非効率的な解決策を必要とする。たとえば、サイレンサパネルは、入口ダクト内等のタービンシステムの様々な場所で使用することができる。サイレンサパネルの材料および幾何学的形状は、音の減衰に関連する吸収特性を駆動する。往々にして、タービンシステムの動作に関連する周波数は、音を十分に減衰するにはより厚く、より長いサイレンサパネルを必要とする。サイレンサパネルを延長すると、追加の必要な材料のために、パネルがより高価になる。さらに、より長いパネルは、タービンシステムの全体の長さ（すなわち、設置面積）を不必要に増大させてしまう。

中国特許出願公開第１０３９９６３９６号明細書

本発明の１つの態様によれば、タービンシステム用の吸音処理アセンブリは、流体の流れがそこを通ることを可能にするように構成された流路を有するタービンシステムの領域を含む。また、流路内に配置された少なくとも１つの音響減衰構造体も含まれる。この少なくとも１つの音響減衰構造体は、実質的に剛性のフレームを含む。この少なくとも１つの音響減衰構造体は、また、実質的に剛性のフレームに保持された可撓性膜を含む。

本発明の別の態様によると、ガスタービンエンジンの入口領域は、入口流路を含む。また、入口領域の流路内に配置された少なくとも１つの音響減衰構造体も含まれる。その少なくとも１つの音響減衰構造体は、少なくとも１つのセルに分割された実質的に剛性のフレームを含む。その少なくとも１つの音響減衰構造体は、実質的に剛性のフレームに保持された少なくとも１つの可撓性膜をまた含む。その少なくとも１つの音響減衰構造体は、少なくとも１つの可撓性膜に動作可能に結合される塊をさらに含み、少なくとも１つの音響減衰構造体の吸収特性は、塊の質量と、少なくとも１つの可撓性膜の柔軟性と、実質的に剛性のフレームの幾何学的形状とに基づいて調整可能である。

本発明のさらに別の態様によると、ガスタービンエンジンのディフューザは、排気流路を含む。また、排気流路に配置された少なくとも１つの音響減衰構造体も含まれる。その少なくとも１つの音響減衰構造体は、少なくとも１つのセルに分割された実質的に剛性のフレームを含む。その少なくとも１つの音響減衰構造体は、実質的に剛性のフレームに保持された少なくとも１つの可撓性膜をまた含む。その少なくとも１つの音響減衰構造体は、少なくとも１つの可撓性膜に動作可能に結合される塊をさらに含み、少なくとも１つの音響減衰構造体の吸収特性は、塊の質量と、少なくとも１つの可撓性膜の柔軟性と、実質的に剛性のフレームの幾何学的形状とに基づいて調整可能である。

これらのおよび他の利点ならびに特徴は、図面と合わせて以下の説明からさらに明らかになろう。

本発明とみなされる発明の主題は、本明細書の最後の特許請求の範囲において特に示され、明確に請求される。本発明の上述したおよび他の特徴ならびに利点は、添付した図面と合わせて以下の詳細な説明から明らかである。
例示的なガスタービンエンジンの概略図である。 ガスタービンエンジンの入口領域の側面図である。 ガスタービンエンジン内の音響減衰構造の側断面図である。 音響減衰構造体を有するストラットの、図３の線４−４による断面図である。 音響減衰構造体の図である。

詳細な説明では、例として図面を参照しながら、本発明の実施形態を利点および特徴と共に説明する。

本願で使用される「軸線方向の」および「軸方向に」という用語は、タービンシステムの長手方向中心軸に対して実質的に平行に延びる方向および向きを指す。本願で使用される「半径方向の」および「半径方向に」という用語は、タービンシステムの長手方向中心軸に対して実質的にほぼ直角に延びる方向および向きを指す。本願で使用される「上流」および「下流」という用語は、タービンシステムの長手方向中心軸に関する軸流方向に対する方向および向きを指す。

図１を参照すると、たとえばガスタービンエンジン等のタービンシステムは、概略的に図示されており、概して参照番号１０で参照される。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機部１２、燃焼器部１４、タービン部１６、シャフト１８、および燃料ノズル２０を含む。ガスタービンエンジン１０の１つの実施形態は、圧縮機１２、燃焼器１４、タービン１６、シャフト１８および燃料ノズル２０を含んでいてもよいことが理解されるべきである。圧縮機部１２およびタービン部１６は、シャフト１８によって結合される。シャフト１８は単一のシャフトであっても、シャフト１８を形成するために互いに結合された複数のシャフトセグメントであってもよい。

燃焼器部１４は、天然ガスまたは水素リッチ合成ガス等の可燃性液体および／または気体燃料を使用して、ガスタービンエンジン１０を稼動させる。たとえば、燃料ノズル２０は、空気供給源および燃料供給源２２と流体連通している。燃料ノズル２０は、空気および燃料の混合気を生成し、燃焼器部１４内に混合気を吐出することにより、高温の加圧された排気ガスを生成する燃焼を引き起こす。燃焼器部１４は、その高温の加圧ガスを、トランジションピースを通ってタービンノズル（または、「第１の段ノズル」）およびバケットおよびノズルの他の段まで導き、タービン部１６の外側ケーシング２４内でタービンブレードを回転させる。続いて、高温の加圧ガスは、タービン部１６から、たとえば外側ケーシング２４等のタービン部の一部に動作可能に結合された排気ディフューザ２６へ送られる。

図２を参照すると、ガスタービンエンジン１０の入口領域３０は、第１の方向に優先的に移動する空気流３４を受けるように構成された主入口部３２を含む。空気流３４は、主入口部３２から下流方向に狭くなる移行ダクト３６を通って、入口領域３０の様々な他の部分へと移動する。サイレンサアセンブリ３８は、入口領域３０内に配置され、空気流３４が通過する際に圧縮機部１２およびガスタービンエンジン１０自体に生成された、伝播する音波４０に関連する音を減衰するように機能する。音波４０は、空気流３４とは実質的に逆の方向に移動して、それにより入口領域３０内に配置されたサイレンサアセンブリ３８と相互作用する。

ここで図２〜図４を参照すると、騒音は、ガスタービンエンジン１０の圧縮機部１２の入口に近接して生成される。圧縮機のベルマウス４２が、圧縮機部１２への入口に隣接して配置される。この領域で発生した騒音を減衰するために、吸音処理アセンブリ５０が圧縮機のベルマウス４２内に配置される。より具体的には、吸音処理アセンブリ５０は、圧縮機のベルマウス４２の空気流路に配置される。圧縮機のベルマウス４２内に位置するものとして説明したが、吸音処理アセンブリ５０は、入口領域３０の任意の部分、またはタービン部１６の下流に位置する排気ディフューザ２６の近傍等の、ガスタービンエンジン１０の他の多数の位置に位置してもよいことが理解されるべきである。図示のように、吸音処理アセンブリ５０は、圧縮機のベルマウス４２のストラット４４および内壁領域４６等の、圧縮機のベルマウス４２の多数の位置に配置されてもよい。

図５を参照すると、吸音処理アセンブリ５０は、通過する音波を減衰するように構成された調節可能な共振周波数を有する音響減衰構造体５２として形成される。この調節可能な共振周波数は、ガスタービンエンジン１０のブレード通過周波数に基づいて、操作者により調整することができる。音響減衰構造体５２は、多くの好適な材料から形成される実質的に剛性のフレーム５４を含む。典型的には、ガスタービンエンジン１０の運転状態を持続するのに好適な金属が用いられている。実質的に剛性のフレーム５４は、多数の格子状の形状に形成してもよい。図示された実施形態では、実質的に剛性のフレーム５４は、対称または非対称な配置の、半円形、楕円形または他の形状等の特定の形状の塊５８を有するいくつかの領域を含む格子を含む。

実質的に剛性のフレーム５４は、可撓性膜５６を間に挟んで保持する２以上のパネルを備えている。可撓性膜５６は、任意の可撓性および耐久性のある材料、たとえばスチール等によって形成してもよい。１つの実施形態では、複数の可撓性膜が含まれる。また、可撓性膜５６に動作可能に結合された塊５８も含まれる。

記載された構造は、振動子の質量ｍおよび振動子のばねＫの、２つの構成要素で構成されているとみなすことができる。処理のための特定の周波数に適合するよう発振を調整するために、質量ｍとばねＫのいずれかまたは両方を選択することができる。しかしながら、パネルの構造的統合性は、質量ｍおよびばねＫを合致させるときに考慮しなければならない。質量変位ｘがばねの変位に等しいので、復元力は、Ｋ＊ｘで表されることにより、通常の質量ばね幾何学的形状を考慮する。質量変位がばねに対して横方向である場合を考える。その場合、ｌがばねの長さであるとき、質量変位ｘは、（１／２）＊ｌ＊（ｘ／ｌ）^２＝ｘ^２／２ｌの量のばねの伸びを生じることになる。したがって、復元力はＫｘ＊（ｘ／２ｌ）で与えられる。ｘは一般に非常に小さいので、実効的なばね定数Ｋ'＝Ｋ＊（ｘ／２ｌ）は、したがって大幅に減少する。局部振動子の共振周波数は、次式で与えられる。

Ｋ'およびｍを調整することにより、共振周波数を効果的に変えることができる。実効性が弱いＫ'は、非常に低い共振周波数を産生し、また、その逆も同様である。したがって、本明細書に記載の実施形態における、比較的軽い質量ｍを使用して、同じ効果を達成しうる。

ばねの径、または棒状弾性部材の径は、その長さｌよりもはるかに小さいので、上記の論は極端な場合である。径がｌに匹敵すると、復元力は、横変位ｘに比例し、よって力定数Ｋ'はｘに対して独立となるであろう。中距離直径Ｋ'は、ｘに対して独立からｘに対して線形従属まで徐々に変化する、すなわち、変位のｘに対して独立の領域が徐々に０まで減少する。２次元構成では、これは、側方寸法よりもはるかに小さい厚さから側方寸法に匹敵する厚さまでの、弾性膜上の塊に相当する。実効的な力定数Ｋ'は、膜の実際の寸法および弾性膜の張力に依存する。これらすべてのパラメータは、所定の質量に一致するように所望のＫ'を得るために調節することができ、必要な共振周波数を得ることができる。たとえば、高い共振周波数を達成するには、重量の軽いものを使用するか、あるいは、単一で厚い膜を使用するのと同じ効果である、２枚以上の膜を積層することでＫ'を増加させることができる。また、共振周波数は、膜が剛性の格子に固定されるときに膜の張力を変えることにより、調整されうる。たとえば、膜の張力が増加するなら、共振周波数もまた増加する。

音響減衰構造体５２の３つの主な構成要素、すなわち実質的に剛性のフレーム５４、可撓性膜５６、および塊５８は、上述した振動子によって特徴付けられてもよい。可撓性膜５６は、その上に塊５８を固定することが可能な構造を提供する。塊５８および可撓性膜は、局所共振器として作用する。実質的に剛性フレーム５４自体は、音波に対してほとんど完全な透光性を有する。可撓性膜５６は、実質的に剛性のフレーム５４に固定されているが、ばね質量局部振動子システムのばねとして機能する。

可撓性膜５６は、実質的に剛性のフレーム５４の複数のセルを覆う単一の薄板であってもよいし、各セルはフレームに取り付けられる個々の可撓性膜で形成されてもよい。また、複数の可撓性膜は、互いに重畳されて設けられてもよく、たとえば１枚の厚い薄板の代わりに２枚の薄い薄板を使用することができる。また、可撓性膜５６の張力も、システムの共振周波数に影響を与えるために変更することができる。

該システムの共振周波数（固有振動数）は、可撓性膜５６の質量ｍおよび実効的な力定数Ｋによって決定され、膜の弾性と、セルの大きさと膜の薄板の厚さによって規定される形状因子との積という単純な関係になる。このように音響減衰構造体５２の吸収特性は、可撓性膜５６の柔軟性、塊５８の質量と、実質的に剛性のフレーム５４の幾何学的形状に基づいて調整することができる。

有利なことに、吸音処理アセンブリ５０は、様々な周波数範囲の音響エネルギーを選択的に吸収し、それにより、サイレンサアセンブリ３８のサイレンサパネルを簡略化できる。簡略化には、パネルの音響エネルギー吸収要件の低減に基づいてパネルを短くすること含みうる。このような構成により、タービンシステムの全長が短くなり、音響減衰の効率を増大させる。

本発明について限られた数の実施形態にのみ関連して詳細に述べているが、本発明がこのような開示された実施形態に限定されないことは容易に理解されよう。むしろ、これまでに記載されていない任意の数の変形、変更、置換または等価な構成を組み込むために、本発明を修正することができ、それらは本発明の趣旨と範囲に相応している。さらに、本発明の様々な実施形態について記載しているが、本発明の態様は記載した実施形態の内のいくつかのみを含みうることを理解すべきである。したがって、本発明は、上記の説明によって限定されるとみなされるのではなく、添付した特許請求の範囲によって限定されるだけである。

１０ ガスタービンエンジン
１２ 圧縮機（部）
１４ 燃焼器（部）
１６ タービン（部）
１８ 軸
２０ 燃料ノズル
２２ 燃料供給
２４ 外側ケーシング
２６ ディフューザ
３０ 入口領域
３２ 主な入口領域
３４ 空気流
３６ 移行ダクト
３８ サイレンサ組立体
４０ 音波
４２ 圧縮機のベルマウス
４４ ストラット
４６ 内壁領域
５０ 吸音処理アセンブリ
５２ 音響減衰構造体
５４ 実質的に剛性のフレーム
５６ 可塑性の膜
５８ 塊

Claims (20)

1. タービンシステム用の吸音処理アセンブリ（５０）であって、流体の流れがそこを通ることを可能にするように構成された流路を有する前記タービンシステムの領域と、前記流路内に配置された少なくとも１つの音響減衰構造体（５２）であって、実質的に剛性のフレーム（５４）と、前記実質的に剛性のフレーム（５４）に保持された可撓性膜（５６）とを備える音響減衰構造体（５２）と、を備える、吸音処理アセンブリ（５０）。
2. 前記実質的に剛性のフレーム（５４）に保持された複数の可撓性膜（５６）をさらに備える、請求項１に記載の吸音処理アセンブリ（５０）。
3. 前記可撓性膜（５６）は、鋼板を含む、請求項１に記載の吸音処理アセンブリ（５０）。
4. 前記少なくとも１つの音響減衰構造体（５２）は、前記可撓性膜（５６）に動作可能に結合された塊（５８）をさらに含む、請求項１に記載の吸音処理アセンブリ（５０）。
5. 前記少なくとも１つの音響減衰構造体（５２）の吸収特性は、調節可能である、請求項４に記載の吸音処理アセンブリ（５０）。
6. 前記吸収特性は共振周波数を含む、請求項５に記載の吸音処理アセンブリ（５０）。
7. 前記吸収特性は前記塊（５８）の質量に基づいて調整可能である、請求項５に記載の吸音処理アセンブリ（５０）。
8. 前記吸収特性は前記可撓性膜（５６）の柔軟性に基づいて調整可能である、請求項５に記載の吸音処理アセンブリ（５０）。
9. 前記吸収特性は前記実質的に剛性のフレーム（５４）の幾何学的形状に基づいて調整可能である、請求項５に記載の吸音処理アセンブリ（５０）。
10. 前記タービンシステムの前記領域は、ガスタービンエンジン（１０）の入口領域（３０）を備える、請求項１に記載の吸音処理アセンブリ（５０）。
11. 前記領域は、前記ガスタービンエンジン（１０）の圧縮機部（１２）の入口に近接して配置されたベルマウス構造を備える、請求項１０に記載の吸音処理アセンブリ（５０）。
12. 前記タービンシステムの前記領域は、ガスタービンエンジン（１０）の排気領域を備える、請求項１に記載の吸音処理アセンブリ（５０）。
13. 前記領域は排気ディフューザ（２６）を含む、請求項１２に記載の吸音処理アセンブリ（５０）。
14. ガスタービンエンジン（１０）の入口領域（３０）であって、入口流路と、前記入口領域（３０）の前記流路内に配置された少なくとも１つの音響減衰構造体（５２）であって、少なくとも１つのセルに分割された実質的に剛性のフレーム（５４）と、前記実質的に剛性のフレーム（５４）に保持された少なくとも１つの可撓性膜（５６）と、前記少なくとも１つの可撓性膜（５６）に動作可能に結合された塊（５８）と、を備える音響減衰構造体（５２）と、を備え、前記少なくとも１つの音響減衰構造体（５２）の吸収特性は、前記塊（５８）の質量と、前記少なくとも１つの可撓性膜（５６）の柔軟性と、前記実質的に剛性のフレーム（５４）の幾何学的形状とに基づいて調整可能である、入口領域（３０）。
15. 前記少なくとも１つの可撓性膜（５６）は鋼板である、請求項１４に記載の入口領域（３０）。
16. 前記吸収特性は、前記少なくとも１つの音響減衰構造体（５２）の共振周波数を含む、請求項１４に記載の入口領域（３０）。
17. 前記吸収特性は、前記少なくとも１つの可撓性膜（５６）の柔軟性と、前記実質的に剛性のフレーム（５４）の幾何学的形状とに基づいてさらに調節可能である、請求項１４に記載の入口領域（３０）。
18. ガスタービンエンジン（１０）のディフューザ（２６）であって、排気流路と、前記排気流路に配置された少なくとも１つの音響減衰構造体（５２）であって、複数の個々のセルに分割された実質的に剛性のフレーム（５４）と、前記実質的に剛性のフレーム（５４）に保持された少なくとも１つの可撓性膜（５６）と、前記少なくとも１つの可撓性膜（５６）に動作可能に結合された塊（５８）と、を備える音響減衰構造体（５２）と、を備え、前記少なくとも１つの音響減衰構造体（５２）の吸収特性は、前記塊（５８）の質量と、前記少なくとも１つの可撓性膜（５６）の柔軟性と、前記実質的に剛性のフレーム（５４）の幾何学的形状とに基づいて調整可能である、ガスタービンエンジン（１０）のディフューザ（２６）。
19. 前記少なくとも１つの可撓性膜（５６）は鋼板である、請求項１８記載のディフューザ（２６）。
20. 前記吸収特性が、前記少なくとも１つの音響減衰構造体（５２）の共振周波数を含む、請求項１８に記載のディフューザ（２６）。