JP4620416B2 - 燃焼器の音響を低減するための方法及び装置。 - Google Patents

Description

本出願は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的にはガスタービン燃焼器に関する。

大気汚染の世界的な関心により、国内的にも国際的にもより厳しい排出基準が導入されるようになった。工業用ガスタービンからの汚染物質の排出（エミッション）は、窒素酸化物（ＮＯｘ）、未燃炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）の排出を規制する環境保護庁（ＥＰＡ）の基準に従う。一般的に、エンジンエミッションは、２つの種類、すなわち高火焔温度によって形成されるもの（ＮＯｘ）と、完全な燃料・空気反応が可能でない低火焔温度によって形成されるもの（ＨＣ及びＣＯ）とに分かれる。

少なくとも一部の公知のガスタービン燃焼器は、複数のミキサを含み、これらのミキサにより高速度の空気を液状又はガス状燃料と混合した後に、混合気が点火される。この種ミキサは一般的に、流入空気に旋回を与えて火焔の安定化と混合を増進するのを可能にするスワラの中心に配設した単一の燃料噴射器を含む。燃料噴射器及びミキサは両方とも、燃焼器ドームに結合される。

少なくとも一部の公知のガスタービンエンジン燃焼器は、ミキサ内の燃料リッチな燃空比で作動し、燃焼ガスが燃焼器から流出する前に離散した希釈孔を通して追加空気を付加する。しかしながら、燃焼に先立って噴射燃料を気化しかつ混合しなければならないドームと、追加空気をリッチなドーム混合気に付加する希釈孔の近傍との両方において、混合不足及びホットスポットが発生するおそれがある。別の公知のガスタービンエンジンは、ミキサ内に燃料リーンな混合気を形成するドライ・ロー・エミッション（ＤＬＥ）型燃焼器を使用している。燃焼器全体にわたる燃料・空気混合気がリーンであるので、ＤＬＥ型燃焼器は一般的には希釈孔を有していない。

作動中、燃焼音響により、リーン予混合式ガスタービン燃焼器の作動範囲が制限される可能性がある。燃焼音響を低減するのを可能にするために、少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンは、不整合火焔温度を利用している。しかしながら、火焔温度を不整合にすることは、ＮＯｘエミッションの増大を招くおそれがある。別の公知のガスタービンエンジンは、燃焼音響の振幅を低下させるのを可能にする様々な受動装置を使用している。例えば、少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンは、複数の四分の一波長音響ダンパチューブを使用して燃焼器音響を低減している。四分の一波長ダンパチューブは、比較的狭い周波数帯域で作動し、複数の長さで製作される。ダンパチューブの最適な長さを決めるには、時間がかかるプロセスが必要となる。このプロセスは、所定の長さをもつダンパチューブをガスタービンに結合する段階と、得られた燃焼器音響を測定する段階とを含む。このプロセスは一般的に、最適なダンパチューブ長さが特定されまで反復されなければならない。
特開平０６−２２１５６３号公報

１つの態様では、ガスタービンエンジンを作動させる方法を提供する。本方法は、プレミキサ組立体及び複数のダンパチューブを備えた燃焼器に反共振周波数システムを結合する段階と、ダンパチューブの反共振周波数が燃焼器の共振周波数にほぼ等しくなるまで反共振周波数システムを調節する段階とを含む。

別の態様では、ガスタービンエンジン用の燃焼器システムを提供する。本燃焼器システムは、プレミキサ組立体と、複数のダンパチューブと、複数のダンパチューブに結合された反共振周波数システムとを含む。反共振周波数システムは、ダンパチューブの反共振周波数が燃焼器の共振周波数にほぼ等しくなるまで、ダンパチューブの反共振周波数を調節するように構成されている。

さらに別の態様では、圧縮機と、圧縮機に流れ連通状態で結合されたタービンと、圧縮機とタービンとの間の燃焼器システムとを備えたガスタービンエンジンを提供する。燃焼器システムは、プレミキサ組立体と、複数のダンパチューブと、複数のダンパチューブに結合された反共振周波数システムとを含む。反共振周波数システムは、ダンパチューブの反共振周波数が燃焼器の共振周波数にほぼ等しくなるまで、ダンパチューブの反共振周波数を調節するように構成されている。

図１は、低圧圧縮機１２、高圧圧縮機１４及び燃焼器１６を備えたガスタービンエンジン１０の概略図である。エンジン１０はさらに、高圧タービン１８及び低圧タービン２０を含む。

作動中、空気は低圧圧縮機１２を通って流れ、加圧空気は低圧圧縮機１２から高圧圧縮機１４に供給される。高度に加圧された空気が、燃焼器１６に送給される。燃焼器１６からの空気流（図１には示さず）は、タービン１８及び２０を駆動する。１つの実施形態では、ガスタービンエンジン１０は、オハイオ州シンシナチ所在のゼネラル・エレクトリック社から入手できるＬＭ２５００型エンジンである。別の実施形態では、ガスタービンエンジン１０は、オハイオ州シンシナチ所在のゼネラル・エレクトリック社から入手できるＬＭ６０００型エンジンである。さらに別の実施形態では、ガスタービンエンジン１０は、オハイオ州シンシナチ所在のゼネラル・エレクトリック社から入手できるＬＭ１６００型エンジンである。

図２は、図１に示すエンジン１０に類似したガスタービンエンジンに使用するための燃焼器１６の断面図である。燃焼器１６は、燃焼器外側ケーシング３２に結合されたプレミキサ組立体３０を含む。プレミキサ組立体３０は、燃焼器１６の周りに円周方向に取付けられた複数の予混合スワラ３４及び端部フランジ３６を含む。燃焼器１６はさらに、端部フランジ３６に結合された複数の音響ダンパ３８を含む。図２に示すように、ダンパチューブ３８は、エンジン１０の外部に取付けられるので、ダンパチューブの温度は、一般的に圧縮機吐出温度(Ｔ３）よりも低い。例示的な実施形態では、スワラ３４は、燃料源（図示せず）に流れ連通状態で結合され、従ってそれを通して燃料を噴射するように構成され、これによりスワラ３４から噴射された燃料の燃料・空気混合を向上させるのを可能にする。

図３は、エンジン１０（図１に示す）に使用することができる例示的な燃焼器反共振周波数システム１００の端面図である。システム１００は、エンジン１０に結合されたほぼ中空のブリードマニホルド１０２と複数のほぼ中空の延長チューブ１０４とを含む。例示的な実施形態では、延長チューブ１０４は各々、音響ダンパ３８に結合された第１の端部１０６とマニホルド１０２に結合された第２の端部１０８とを含む。システム１００はさらに、ブリードマニホルド１０２に結合されたブリードチューブ１１０とブリードチューブ１１０に結合された調節可能なブリード弁１１２とを含む。

ダンパチューブ３８は、該ダンパチューブ３８が有効になる中心周波数を有する。ダンパチューブ３８の中心周波数は、ダンパチューブ３８の長さ１１４とダンパチューブ３８内部に閉じ込められた空気の音響速度とに基づいている。従って、ダンパチューブ３８は、
式、ｆ＝ｃ／４＊Ｌに準拠して設計され、
ここで、

は、空気の音響速度であり、
ｆは、ダンパチューブ３８の有効周波数であり、
Ｌは、ダンパチューブ３８の有効長さであり、
γは、空気の比熱比であり、
Ｒは、空気の気体常数であり、
Ｔは、空気温度である。

作動中、ガスタービンエンジン１０を始動し、燃焼器１６からダンパチューブ３８及び延長チューブ１０４を通してマニホルド１０２内に多量の空気を吐出させる。次ぎに、ブリード弁１１２を調節、すなわち開閉して、マニホルド１０２から大気に空気を放出し、ダンパチューブ３８の反共振周波数が燃焼器の共振周波数にほぼ等しくなるまで、これを行う。

図４は、エンジン１０（図１に示す）に使用することができる別の例示的な燃焼器反共振周波数システム２００の端面図である。反共振周波数システム２００は、反共振周波数システム１００（図３に示す）にほぼ類似しており、反共振周波数システム１００の構成要素と同一である反共振周波数システム２００の構成要素は、図３で使用した同一の参照符号を用いて図４において特定されている。例示的な実施形態では、システム２００は、電源２０４に電気的に接続された電気ケーブル２０２と複数の加熱要素２０６とを含む。別の例示的な実施形態では、システム２００は、電源２０４に電気的に接続された複数の電気ケーブル２０２とその各々が複数の電気ケーブル２０２を介して電源２０４に電気的に接続された複数の電気加熱要素２０６とを含む。

１つの実施形態では、電気加熱要素２０６は、ダンパチューブ３８の外面の周りに巻かれてダンパチューブ３８内部の空気温度を調節するのを可能にする。別の実施形態では、電気加熱要素２０６は、ダンパチューブ３８の内部に配置されてダンパチューブ３８内部の空気温度を調節するのを可能にする。

本明細書において前に説明したように、ダンパチューブ３８は、該ダンパチューブ３８が有効になる中心周波数を有する。ダンパチューブ３８の中心周波数は、ダンパチューブ３８の全長１１４とダンパチューブ３８内部の空気の音響速度とに基づいている。従って、ダンパチューブ３８は、
式、ｆ＝ｃ／４＊Ｌに準拠して設計され、
ここで、

は、空気の音響速度であり、
ｆは、ダンパチューブ３８の有効周波数であり、
Ｌは、ダンパチューブ３８の有効長さであり、
γは、空気の比熱比であり、
Ｒは、空気の気体常数であり、
Ｔは、空気温度である。

作動中、電源２０４を通電し、電気ケーブル２０２を介して各加熱要素２０６に電流を流す。次ぎに、電源２０４を調節、すなわち電力を増減し、ダンパチューブ３８の反共振周波数が燃焼器の共振周波数にほぼ等しくなるまで、これを行う。

本明細書で説明したシステムは、ガスタービン燃焼器の安定した作動を可能にする。ダンパチューブの反共振周波数を燃焼器の共振周波数と一致するように能動的に調整することによって、ダンパチューブの性能は、現在の設計以上に向上させることができ、またチューブの数及びチューブの多くの異なる長さを削減できる可能性もある。

以上、燃焼器の反共振周波数システムの例示的な実施形態を詳細に説明している。本システムは、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ各組立体の構成要素は、本明細書に記載した他の構成要素とは独立してかつ別個に利用することができる。各燃焼器の反共振周波数構成要素はさらに、他の燃焼器の反共振周波数構成要素と組み合わせて使用することもできる。

なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

燃焼器を備えたガスタービンエンジンの概略図。 図１に示すガスタービンエンジンに使用することができる燃焼器の一部の断面図。 図１に示すガスタービンエンジンに使用することができる例示的な燃焼器反共振周波数システムの端面図。 図１に示すガスタービンエンジンに使用することができる別の例示的な燃焼器反共振周波数システムの端面図。

符号の説明

１６ 燃焼器
３８ ダンパチューブ
１００ 反共振周波数システム
１０２ ブリードマニホルド
１０４ 延長チューブ
１１０ ブリードチューブ
１１２ ブリード弁

Claims (6)

1. ガスタービンエンジン（１０）用の燃焼器システム（１６）であって、
   プレミキサ組立体（３０）と、
   複数のダンパチューブ（３８）と、
   前記複数のダンパチューブに結合された反共振周波数システム（１００、２００）と、を含み、
   前記反共振周波数システムが、前記燃焼器から第１の空気量を受けるように構成された中空のブリードマニホルド（１０２）を備え、前記ダンパチューブの反共振周波数が前記燃焼器の共振周波数に等しくなるまで、前記ダンパチューブの反共振周波数を調節するように構成されている、
   燃焼器システム（１６）。
2. 前記反共振周波数システムが、
   前記ブリードマニホルドに結合された複数の中空の延長チューブ（１０４）と、
   前記ブリードマニホルドに結合されたブリード弁（１１２）と、を含み、
   前記ブリード弁が、前記ダンパチューブの反共振周波数を前記燃焼器の共振周波数に等しくなるように変更するのを可能にする第２の空気量を前記マニホルドから放出するように構成されている、
   請求項１記載の燃焼器システム（１６）。
3. 前記反共振周波数システム（２００）が、
   電源（２０４）と、
   前記電源に電気的に接続されたケーブル（２０２）と、
   前記ケーブルに電気的に接続された複数の加熱要素（２０６）と、を含み、
   前記電源が、前記ダンパチューブ（３８）の反共振周波数が前記燃焼器（１６）の共振周波数に等しくなるまで、前記加熱要素への電流を調節するように構成されている、
   請求項１記載の燃焼器システム（１６）。
4. 各前記ダンパチューブ（３８）の外面の周りに延びる少なくとも１つの加熱要素（２０６）をさらに含む、請求項３記載の燃焼器システム（１６）。
5. 各前記ダンパチューブ（３８）の内部に少なくとも一部が挿入された少なくとも１つの加熱要素（２０６）をさらに含む、請求項３記載の燃焼記システム（１６）。
6. 前記複数のダンパが、
   式、ｆ＝ｃ／（４＊Ｌ）に準拠して製作され、
   ここで、
   
   は、空気の音響速度であり、
   ｆは、ダンパチューブの有効周波数であり、
   Ｌは、ダンパチューブの有効長さであり、
   γは、空気の比熱比であり、
   Ｒは、空気の気体定数であり、
   Ｔは、空気温度である、
   請求項１記載の燃焼器システム（１６）。