JP4511044B2 - 燃焼室の音響振動を低減する構成 - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の背景および先行技術）
本発明は、燃焼室と、それぞれが燃焼室の出口開口を有する１組のバーナとを含む燃焼室装置に関する。
【０００２】
ガス・タービンなど、幾つかのバーナを伴うこのような燃焼室では、音響圧力振動、つまり圧力脈動が生じることがあり、これは強度問題および騒音問題を生じる機械的振動につながる。このような振動は、数百ヘルツの振動周波数を有することがあり、ガス・タービンの燃焼室では、ますます問題となっている。というのは、少なくとも部分的には、ＮＯｘ成分などの排気ガス低減の要件がより厳格になっているからである。排気ガスの減少時に振動が増加することについて、可能な説明の一つは、主流の燃料と空気とが予め混合されて混合気を形成し、この中でその後に燃焼が生じることである。混合を改善し、さらに均一にすると、排気ガスのパーセンテージが低下するが、それと同時に燃焼量が圧力振動を受けやすくなる。今日の燃焼室装置は、燃焼室などの共通空間を介して相互に影響を与える複数のバーナを含むことが多いので、異なるバーナからの振動が、多くの場合に、相互に強化することにもなる。
【０００３】
このような音響圧力振動の影響は、少なくとも部分的に、いわゆるパイロット流、つまり予め混合していない燃料の燃料供給によって低下させることができる。しかし、このようなパイロット流の燃焼は、排気ガスを増加させてしまう。
【０００４】
ドイツ特許第４，３３６，０９６号は、複数のバーナを有する環状燃焼室を開示している。バーナは、振動を低減するため、長手方向に相互に対して変位する。バーナは全て、同一の形状を有するようである。
国際特許第９８／１２４７９号は、サイズが異なる幾つかのバーナを有するガス・タービンの燃焼室を開示している。しかし、各バーナは、幾何学的形状が維持されている。つまり、サイズは変えられているが、全ての測定関係が維持されている。
【０００５】
（発明の概要）
本発明の目的は、まず窒素酸化物の排気ガスを増加させずに、燃焼室装置の作動中に発生する音響圧力振動の影響を低減することである。
【０００６】
この目的は、最初に規定された燃焼室装置によって得られ、該燃焼室装置においては、各バーナは、酸素を含むガスの流れをバーナに供給する部材と、燃料をバーナ及び縦軸に沿って燃焼室まで延在し供給された燃料と供給された酸素含有ガスとを混合できるように配置された空間に供給する部材とを含み、各バーナは、ほぼ等しい大きさの酸素含有ガスの流れをバーナを通して燃焼室へと搬送するように配置され、各バーナは、少なくとも１つのパラメータによって規定され、これは長手方向に沿った空間の特徴的長さを含み、前記バーナの少なくとも１つの少なくとも特徴的長さが、前記組の別のバーナの対応する長さからずれるような態様および燃焼室装置の作動中に生じる振動の影響が低減するような態様で選択される。
【０００７】
このような方法でバーナの幾何学的形状を変化させ、バーナに非対称または不規則な特徴を与えることにより、異なるバーナで異なる振動の周波数を発生させることが可能であり、これによって、燃焼室装置の異なる部分で発生する振動が相互に強化し合う危険が低下する。代わりに、振動の少なくとも一部が、それが低減するような方法で干渉するか、相互に減衰さえする可能性が高くなる。したがって、本発明は、計算により、燃焼室装置の作動中に生じる振動の影響を低減させるような、バーナの少なくとも１つの特徴的長さの値を決定する可能性を創造する。空間またはバーナの長さの変化は、簡単な方法で達成される。燃焼室の構造は、幾つかのバーナのうちの１つがこのように変化しても、影響を受けない。バーナを通して基本的に等しい大きさの流れまたは等しい大きさの量の酸素含有ガスを燃焼室へと搬送するように配置する態様で、全てのバーナを設計することにより、簡単な方法で振動を減衰する効果を獲得することができる。というのは、各バーナを、同一であるかのように燃料供給に関して制御できるからである。
【０００８】
本発明の実施形態によると、各バーナは、酸素含有ガスを供給する前記手段を含む後端部分と、前記出口開口を含む前端部分との間に延在する。これにより、燃料と効果的に混合するよう、酸素含有ガスの流れに所望の特性を与えるために空間全体を使用することができる。これにより、前記燃料供給部材を前端部分の上流に、特に後端部分に設けることができる。しかし、前記燃料供給部材は、後端部分の下流の空間に設けた分配部材も含む。空間および特徴的長さは、後端部分から出口開口まで延在すると有利である。空間および特徴的長さが、前記燃料供給部材から出口開口まで延在することも可能である。
【０００９】
本発明のさらなる実施形態によると、前記パラメータは空間の特徴的な幅を含む。特徴的な幅は、前記空間の前記長手方向に対して垂直に延在する。空間は細長い形状を有すると有利である。つまり、特徴的な長さは、特徴的な幅より実質的に大きい。さらに、空間は、長手方向横切る方向で基本的に円形の断面形状を有し、ほぼ円筒形であってもよい。
【００１０】
本発明のさらなる実施形態によると、前記バーナの少なくとも１つの特徴的な幅は、前記組の別のバーナの特徴的幅からずれるように選択される。このような幾何学的形状の変化により、圧力振動を効果的な方法で低減する可能性が、さらに高くなる。
【００１１】
本発明のさらなる実施形態によると、前記パラメータは、問題のバーナから隣接する最も近いバーナまでの距離を含み、前記バーナの少なくとも１つから隣接する最も近いバーナまでの前記距離は、前記組にある他の２つの隣接するバーナ間の対応する距離からずれるような態様で選択される。
【００１２】
本発明のさらなる実施形態によると、前記バーナの少なくとも２つの前記パラメータは、前記組の別のバーナに関して対応するパラメータからずれるような態様で選択される。幾つかのバーナの幾何学的形状を変化させることにより、振動または圧力脈動を低減する可能性が高まる。これにより、複数の前記バーナの前記パラメータは、別の複数の前記バーナの対応するパラメータからずれるよう選択することができる。言うまでもなく、前記パラメータのいずれかを、本発明による燃焼室装置の基本的に全てのバーナで異なるようにすることも可能である。
【００１３】
本発明のさらなる実施形態によると、装置は、ガス・タービンの上流に設け、高温の燃焼ガスをガス・タービンに供給するよう配置される。このような用途は、特にガス・タービンに関連して振動の問題が深刻であるので、有利である。これにより、燃焼室は環状またはリング形で、ガス・タービンの回転軸線を中心にほぼ円形の路に沿って延在することができる。
【００１４】
本発明のさらなる実施形態によると、前記組のバーナを、ほぼ円形の路に沿って設け、前記パラメータは、前記バーナからほぼ円形の路までの距離も含み、前記バーナの少なくとも１つについて、この距離は、前記組の別のバーナの対応する距離からずれるよう選択される。
次に、様々な実施形態により、添付図面に関して本発明をさらに詳細に説明する。
【００１５】
（本発明の様々な実施形態の詳細な説明）
次に、ガス・タービン装置１に関連して本発明を説明する。ガス・タービン装置１は、環状すなわちリング形燃焼室２、つまりガス・タービン装置１のロータ３の周囲、およびロータ３が回転する回転軸線ｒの周囲で、ほぼ円形の路ｏに沿って延在する燃焼室２を含む。しかし、本発明は環状の装置とは別のタイプの燃焼室装置にも適用可能であり、ガス・タービン装置以外の他の接続にも使用することができる。
【００１６】
図１で開示されるガス・タービン装置１は、コンプレッサ４およびガス・タービン５を含む。ガス・タービン装置１の燃焼室装置は、上述した環状燃焼室２、および１組のバーナ６を含み、バーナは全て、共通の燃焼室２の制限壁２’を通って延在する出口開口７を有する。
【００１７】
各バーナは後端部分および中間空間９および前端部分を有し、前端部分は出口開口７を含む。各バーナ６は、燃料供給導管８の形態の部材、およびオイルまたはガスの形態の燃料をバーナ６に供給する少なくとも１つのノズル（より詳細には開示しない）を含む。また、各バーナ６は、コンプレッサ４によって燃焼空気または任意の他の酸素含有ガスをバーナ６に供給する部材を含む。開示された例では、これらの部材は、各バーナ６の後端部分に細長い供給開口１０（図３参照）を含む。これらの供給開口１０は、供給される燃焼空気がバーナ６で回転動作を与えられるようにデザインされている。供給された燃料と供給された燃焼空気とは、空間９で混合される。供給開口１０は、バーナ６に供給される燃焼空気の量が全てのバーナ６に対してほぼ等しくなるようにデザインされることが好ましい。
【００１８】
空間９は、後端部分から、より詳細には供給開口１０から前端部分へと長手方向ｘに沿って延在し、細長い空間を有する。図２および図３で開示された実施形態では、空間９は、長手方向ｘを横切る方向でほぼ円形の断面形状を有する。開示された実施形態では、空間９はほぼ円筒形である。しかし、バーナ６および空間９は末広がり形状、または先細形状、例えば円錐形にすることが可能である。ここで、バーナ６および空間９は、本発明の範囲内で、様々な態様にデザインできることに留意されたい。例えば、燃焼空気の供給開口１０は、多くの異なる形状を有し、複数の異なる位置に配置することができる。
【００１９】
しかし、各バーナ６は、燃焼室２および他のバーナ６に対してバーナ６の幾何学的形状またはバーナ６の位置に関係なく有用な幾つかの異なるパラメータに関連する、またはこれによって規定される。これらのパラメータは、バーナ６の特徴的な長さを含む。開示された例では、特徴的な長さａは、長手方向ｘに沿った空間９の長さである。別のこのようなパラメータは、問題のバーナ６から隣接する最も近い１つまたは複数のバーナ６までの距離ｂである。さらなるパラメータは、各バーナ６の特徴的な幅ｃである。図２および図３で開示された実施形態では、この特徴的な幅ｃは、空間９の幅である。したがって、この例では、空間９の細長い形状により、特徴的な長さａは、特徴的な幅ｃより大幅に大きい。しかし、特徴的な幅を特徴的な長さａと等しくするか、それより大きくすることが、本発明の範囲内で可能である。
【００２０】
図２で開示された実施形態では、バーナ６は、上述したほぼ円形の路ｏに沿って設けられている。さらなるパラメータは、円形路ｏからのバーナ６の偏差、より正確には、円形路ｏと長手方向ｘ間の最短距離ｄでよい。このパラメータは、これも燃焼室２内のバーナ６の位置を反映し、少なくとも開示された例では、燃焼室２の共通中心点までの距離と表現することもできる。
【００２１】
図４および図５は、燃料供給導管８と、空間９内で後端部分の下流および供給開口１０の下流に設けた分配部材１２とを含む燃料供給部材を有する１組のバーナ６を開示する。分配部材１２は、開示された例では、燃料供給導管８が接続された、中心から半径方向外側に延在する幾つかのパイプを含む。前記パイプはスポーク形状を形成し、各パイプは、燃料を空間９へと供給する幾つかのノズル１３を含む。図４および図５で開示された実施形態では、空間９および特徴的な長さａは、長手方向ｘに沿って後端部分、つまり供給開口１０から前端部分まで延在すると考えることができる。しかし、空間９および特徴的な長さｅが分配部材１２から前端部分まで延在すると規定することも可能である。
【００２２】
これまで、燃焼室装置は、以上で規定したパラメータａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅが各バーナ６でほぼ同一になるよう構築されてきた。しかし、本発明によると、特徴的な長さａ、ｅ、および場合によってはパラメータｂ、ｃおよびｄの１つまたは幾つかが、他のバーナ６の対応するパラメータからずれるように、１つまたは幾つかのバーナ６を設けるとよい。このように１つまたは幾つかをずらすことにより、バーナ６によって異なる振動周波数を提供することが可能である。このような態様で、音響圧力振動は、相互に強化せず、代わりに振動が相互に減衰する可能性が高くなる。つまり、このようにバーナ６を非対称に設けることにより、振動または圧力脈動をほぼ減衰することができる。
【００２３】
図３から、混合空間９の長さａが異なるバーナ６間でいかに変化してもよいか分かる。さらに、図３から、混合空間９の直径、つまり幅ｃが異なるバーナ６間でいかに変化してよいかも分かる。図２は、隣接するバーナ６間で距離ｂが円形路ｏに沿っていかに変化してよいかを明白に示す。図２から、２つのバーナ６’が円形路ｏに対していかに変位してよいかも分かる。
【００２４】
本発明によると、１つのバーナ６が、以上で規定したパラメータのいずれかに関して、他の全てのバーナからずれてもよい。幾つかの、例えば半分のバーナ６を、任意のパラメータの同じ値で、他のバーナ６からずらすことも可能である。さらに、各バーナ６は、前記パラメータの１つまたは幾つかについて、他の全バーナ６の対応するパラメータの値とは異なる値をとれることを言及しておく。
【００２５】
本発明は、記載された実施形態に制限されるものではなく、特許請求の範囲の中で変更および変形してもよい。
本発明は、複数のバーナを有する全てのタイプの燃焼室に、および各バーナが自身の燃焼室を有するが、振動または圧力脈動が伝搬する任意の共通空間を介して相互に影響を与えるような装置にも適用可能であることに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態による燃焼室装置の縦断面図を示す。
【図２】 図１の燃焼室装置の断面図を示す。
【図３】 図１の燃焼室装置の様々なバーナの設計を示す。
【図４】 本発明のさらなる実施形態による燃焼室装置の様々なバーナの設計を示す。
【図５】 図４のバーナの前面図を示す。

Claims (19)

1. 燃焼室（２）と、それぞれが前記燃焼室（２）内に出口開口（７）を有する１組のバーナ（６）とを含む燃焼室装置であって、
   各バーナ（６）が、酸素含有ガスをバーナ（６）に供給する部材（１０）と、燃料をバーナ（６）と、長手方向（ｘ）に沿って前記酸素含有ガス供給部材（１０）から前記燃焼室（２）へと延在し、供給された燃料と供給された酸素含有ガスとを混合するように配置された空間（９）とに供給する部材（８、１２）とを含み、
   各バーナ（６）が等しい量の酸素含有ガスを前記燃焼室（２）に搬送するように配置され、
   各バーナ（６）が、長手方向（ｘ）に沿った、前記酸素含有ガス供給部材（１０）から前記燃焼室（２）へと延在している前記空間（９）の特徴的な長さ（ａ）を含む少なくとも１つのパラメータによって画定され、
   少なくとも１つの前記バーナ（６）の前記特徴的な長さ（ａ）は、前記組の別のバーナ（６）の前記特徴的な長さ（ａ）と異なるように及び燃焼室装置の作動中に生じる振動の影響が低減するように選択されている、燃焼室装置。
2. 各バーナ（６）が、前記酸素含有ガス供給部材（１０）を含む後端部分と、前記出口開口（７）を含む前端部分との間に延在する、請求項１に記載の装置。
3. 前記燃料供給部材（８、１２）が前記前端部分の上流に設けられている、請求項２に記載の装置。
4. 前記燃料供給部材（８）が前記後端部分に設けられている、請求項３に記載の装置。
5. 前記燃料供給部材（８、１２）が、前記後端部分の下流で前記空間（９）に設けた分配部材（１２）を含む、請求項３に記載の装置。
6. 前記空間（９）および前記特徴的な長さ（ａ）が前記後端部分から前記出口開口（７）まで延在している、請求項２から５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記空間（９）および前記特徴的な長さ（ａ、ｅ）が、前記燃料供給部材（８、１２）から前記出口開口（７）まで延在している、請求項１から６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記パラメータが、前記空間（９）の特徴的な幅（ｃ）を含む、請求項１から７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記特徴的な幅（ｃ）が、前記空間（９）の前記縦軸（ｘ）に対して垂直に延在している、請求項８に記載の装置。
10. 前記特徴的な長さ（ａ）が前記特徴的な幅（ｃ）より大きい、請求項８および９のいずれか１項に記載の装置。
11. 前記バーナ（６）の内の少なくとも１つのバーナ（６）の前記特徴的な幅（ｃ）が、前記組の別のバーナ（６）の前記特徴的な幅（ｃ）とは異なるように選択されている、請求項８から１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 前記空間（９）が、前記長手方向（ｘ）を横切る方向で円形の断面形状を有している、請求項１から１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 前記空間（９）が円筒形である、請求項１から１２のいずれか１項に記載の装置。
14. 前記パラメータが、隣接バーナ（６）間の距離（ｂ）を含み、隣接バーナ間の距離が異なるように前記組のバーナが配置されている、請求項１から１３のいずれか１項に記載の装置。
15. 前記バーナ（６）のうちの少なくとも２つのバーナ（６）の前記パラメータ（ａ、ｂ、ｃ、ｅ）が、前記組の他のバーナ（６）の対応するパラメータとは異なるように選択されている、請求項１から１４のいずれか１項に記載の装置。
16. 前記バーナ（６）のうちの複数のバーナ（６）の前記パラメータ（ａ、ｂ、ｃ、ｅ）が、前記組の別のバーナ（６）の対応するパラメータとは異なるように選択されている、請求項１５に記載の装置。
17. ガス・タービン（５）の上流に設けられ、高温の燃焼ガスをガス・タービンに供給するように配置されている、請求項１から１６のいずれか１項に記載の装置。
18. 前記燃焼室（２）が環状であり、円形の路（ｏ）に沿ってガス・タービン（５）の回転軸線（ｒ）の周囲に延在している、請求項１７に記載の装置。
19. 前記組のバーナ（６）が円形の路（ｏ）に沿って設けられており、前記パラメータが、さらに、前記バーナ（６）から円形の路（ｏ）までの距離（ｄ）を含み、少なくとも１つの前記バーナ（６’）のこの距離（ｄ）が、前記組の別のバーナ（６）の対応する距離（ｄ）とは異なるように選択されている、請求項１８に記載の装置。

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