JP5112926B2 - 燃焼器ダイナミクスを低減するためのシステム - Google Patents

Description

本出願は、総括的にはターボ機械における燃焼システムに関し、より具体的には、ガスタービン燃焼システムにおける燃焼器ダイナミクスを低減するためのシステムに関する。

ガスタービンは一般的に、圧縮機、複数の燃焼缶、燃料システム及びタービンセクションを含む。一般的に、圧縮機は吸入空気を加圧し、この加圧した空気は次に、燃焼行程で使用するために燃焼缶に向かって逆方向に流されて燃焼缶を冷却する。一般的に、燃焼缶は、ガスタービンの周辺部の周りに設置され、移行セクションが、各燃焼缶の出口端部をタービンセクションの入口端部と連結する。

ＮＯｘエミッションを低減するために、ガスタービンは、リーン予混合式燃焼システムを採用することができる。このシステムは一般的に、各燃焼缶に取付けられた複数の予混合装置を含む。予混合装置は一般的に、センタハブを備えた中心配置燃料ノズルを有する流管を含み、センタハブは燃料噴射装置及びスワールベーンを支持する。ガスタービン運転時に、燃料は、燃料噴射装置を通して噴射されて流管内で旋回空気と混合し、流管の出口において火焔を生成する。リーン予混合燃焼と関連した典型的にリーンな化学量論的反応のために、より低温の火焔温度及びより低いＮＯｘエミッションが達成される。

しかしながら、リーン予混合式燃焼は一般的に、「高振動数ダイナミクス」又は「スクリーチダイナミクス」と通常呼ばれている高振動数（高周波数）燃焼不安定性をもたらす。スクリーチダイナミクスは一般的に、燃焼缶の内部での燃焼速度変動に起因し、有害な圧力波を発生させる可能性がある。スクリーチダイナミクスはまた、燃焼構成部品損傷を発生させ又は燃焼構成部品寿命を大幅に短縮させるおそれがある。スクリーチダイナミクスの振動数及び度合は、システムの幾何学形状及びガスタービン運転モード（部分負荷、ベース負荷又は同様なもの）により決まる。

燃焼ダイナミクスを減衰させるための１つの通常使用される装置は、共振器である。一般的に、共振器は、スロートに連結された閉ボリューム（以下、「空洞」という）を含む。共振器は通常、燃焼器ダイナミクスを抑制しようとする領域内に据付けられる。スロートは、複数の開口部を有するプレートの形態のものとすることができる。スロート開口部を通って流れる作動流体の流体慣性は、閉空洞のボリュームスチフネスによって反作用を受けて、開口部を通る流れ速度に共振を発生させる。この流れ振動は、特定の固有振動数範囲を有し、その振動数の範囲内での音響エネルギーを減衰させるための有効なメカニズムを構成する。

ガスタービン燃焼システムにおいて使用する共振器は一般的に、燃焼システム壁の大きな領域にわたって延びる一体構造ライナの形態を有する。

現在公知の共振器には、幾つかの発生可能性がある問題が存在する。一体構造ライナは、燃焼ライナと燃焼缶の外壁との間に発生する可能性がある大きな温度差に起因した高熱応力に耐えきれないおそれがある。一体構造ライナはまた、燃焼缶のヘッドエンド領域内に据付けるのが困難である。一体構造ライナは、製作するのに比較的費用がかかる可能性がある。
米国特許第６５３０２２１号明細書 米国特許第５６４４９１８号明細書

前述の理由のために、最大のスクリーチダイナミクスを受ける可能性がある領域内に容易に据付けることができる、或いはシステム内の圧力振動が該振動の開始をその調整振動数範囲内に減衰させることによって限界サイクルに達するのを防止するように設置することができる共振器の必要性が存在する。共振器は、様々なガスタービン運転モード時に発生する可能性があるスクリーチダイナミクスを適切に減衰させるものであるべきである。共振器は、製作するのに比較的費用がかからないようにすべきであり、或いはシステム作動時に燃焼器耐久性に対して有害な影響を持たないようにすべきである。

本発明の実施形態によると、燃焼器ダイナミクスを減衰させるためのシステムであり、本システムは、複数の燃焼缶１２０を含みかつ各燃焼缶１２０がエフュージョンプレート４００に隣接して取付けられた複数の燃料ノズル１２５を含む燃焼システムと、燃焼缶１２０のヘッドエンド領域に隣接して据付けられた少なくとも１つの共振器１５０とを含み、少なくとも１つの共振器１５０は、低温側面孔パターン１５６を形成した複数の孔を含む第１の側面１５２と、高温側面孔パターンを形成した複数の孔を含む第２の側面１６０と、第１の側面１５２及び高温側面によって実質的に形成された空洞１５８とを含み、低温側面孔パターン１５６は、該低温側面孔パターン１５６内の複数の孔の各々が第２の側面表面１６２に実質的に衝突する冷却空気の噴流を可能にするように配向され、また高温側面孔パターン１６４は、該高温側面孔パターン１６４内の複数の孔の各々が第１の側面表面１５４に実質的に衝突する作動流体の噴流を可能にするように配向される。

それに代えて、少なくとも１つの共振器１５０は、略円筒形の形状を有する。それに代えて、少なくとも１つの共振器１５０は、エフュージョンプレート４００に隣接してセンタキャップ領域１８０の周りに据付けられる。それに代えて、低温側面孔パターン１５６を形成した複数の孔の数は、高温側面孔パターンを形成した複数の孔の数よりも少ない。それに代えて、低温側面孔パターン１５６のうちでの各孔の寸法は、高温側面孔パターンのうちでの各孔の寸法よりも小さい。それに代えて、低温側面孔パターン１５６は、空洞１５８を通して冷却空気を導くように構成される。それに代えて、共振器１５０は、約１０００Ｈｚ〜約４０００Ｈｚの燃焼ダイナミック振動数を減衰させるように構成される。それに代えて、少なくとも１つの共振器１５０は、約１０００Ｈｚ以上の燃焼ダイナミック振動数を減衰させるように構成される。それに代えて、少なくとも１つの共振器１５０は、エフュージョンプレート４００に隣接して円周方向に取付けられる。それに代えて、本システムはさらに、エフュージョンプレート４００に隣接して円周方向に取付けられた少なくとも１つの付加的共振器１５０を含む。

本明細書では便利さだけのために特定の用語を使用しており、それらの用語は本発明に関する限定として捉えるべきではない。例えば、「上方」、「下方」、「左側」、「正面」、「右側」、「水平」、「垂直」、「上流」、「下流」、「前方」及び「後方」のような用語は、図に示す構成について説明しているにすぎない。実際には、構成部品はあらゆる方向に配向することができ、従って、その用語は、特に明記しない限り、そのような変更形態を包含するものとして理解されたい。

次に、幾つかの図面全体を通して様々な符号が同様の部品を表わしている図を参照すると、図１は、本発明の実施形態が作動する環境を示す概略図である。図１において、ガスタービン１００は、圧縮機セクション１１０、その各々が複数の燃料ノズル１２５を備えた複数の燃焼缶１２０、タービンセクション１３０、移行セクション１４０、共振器１５０及び流路１９５を含む。

一般的に、圧縮機セクション１１０は、流体を加圧するように構成された複数の回転ブレード（図示せず）及び固定ベーン（図示せず）を含む。複数の燃焼缶１２０は、燃料源（図示せず）に結合することができる。各燃焼缶１２０内で、加圧空気及び燃料は、混合され、点火されかつ流路１９５内で消費され、それによって作動流体を形成する。燃料及び空気混合気は、燃料リーンな化学量論的混合気であるのが好ましい。

作動流体の流路１９５は一般的に、複数の燃料ノズル１２５の後方端部から移行セクション１４０を通して下流方向にタービンセクション１３０内に進む。タービンセクション１３０は、そのどちらも図示していない複数の回転及び固定構成部品を含み、作動流体を機械的トルクに変換する。

ガスタービンは一般的に、ベース負荷又は部分負荷のいずれかで運転される。負荷運転により、燃料消費量が部分的に決まる。燃料消費量における変動は、流路１９５全体にわたって、すなわち燃焼器缶１２０の上流及び下流の両方に広がる可能性がある燃焼器ダイナミクス（動的振動）を発生させるおそれがある。ガスタービン１００がベース負荷にある時には、燃焼器ダイナミクスのピークは一般的に比較的低い。しかしながら、過渡モード切替え又は部分負荷運転時には、燃焼器ダイナミクスのピークは高いものとなる可能性がある。さらに、一般的にダイナミクスのうちで最も有害な形態の１つとして考えられるスクリーチダイナミクスが、部分負荷運転時に一層高いレベルに達する可能性がある。本発明の共振器１５０の実施形態は、部分負荷運転時に最大のスクリーチダイナミクスが発生する可能性がある燃焼缶１２０内の領域に据付けることができる。

次に、本発明の実施形態による共振器１５０の上流側面、正面及び下流側面を示す、まとめて図２となる図２Ａ〜図２Ｃを参照する。本発明の共振器１５０の実施形態は、第１の側面１５２、空洞１５８及び第２の側面１６０を含む。

図２Ａは、本発明の実施形態による第１の側面１５２を示している。第１の側面１５２は、第１の側面表面１５４と低温側面孔パターン１５６とを含むことができる。

第１の側面１５２は、共振器１５０の上流側面を形成することができ、上流側面は、圧縮機セクション１１０に最も近接した側面である。第１の側面１５２は、低温側面孔パターン１５６を形成した複数の孔を有することができる。低温側面孔パターン１５６は、第１の側面表面１５４を貫通して形成することができる。低温側面孔パターン１５６は、冷却空気が共振器１５０に流入するのを可能にする。冷却空気は、第２の側面１６０を冷却し、かつ作動流体が共振器１５０内に逆流するのを防止することができる。本発明の実施形態では、低温側面孔パターン１５６内の孔の数は、冷却空気の噴流が低温側面孔パターン１５６の各孔を通って流れるように構成しかつ配向することができる。このことは、第２の側面１６０が充分な冷却空気を受けることを可能にし、最終的にはこの冷却空気は、第２の側面表面１６２から流出（エフュージョン）する。

第１の側面１５２は、共振器１５０が受ける通常作動状態に耐えるようなあらゆる好適な材料で形成することができる。さらに、第１の側面１５２は、燃焼缶１２０のヘッドエンド内への容易かつ費用効果のある据付けを可能にするあらゆる形状で形成することができる。例えば、それに限定されないが、本発明の実施形態は、略円形のプレートであり、かつ約３．５０インチ〜約４．００インチの直径を有することができ、また低温側面孔パターンは、例えばそれに限定されないが、約２５〜約５０個の孔を含むことができる。

図２Ｂは、本発明の実施形態による共振器１５０の空洞１５８を示している。空洞１５８は、第１の側面表面１５４と第２の側面１６０（下記に述べる）の第２の側面表面１６２との間のボリュームとして形成することができる。一般的には、空洞１５８は、従来型の燃焼器における未使用の空間を利用し、かつ一般的には閉ボリュームである。高温側面孔パターン１６４を通って流れる作動流体の流体慣性は、空洞１５８のボリュームスチフネスによって反作用を受けて、高温側面孔パターン１６４を通る作動流体の速度に共振を発生させる。この流れ振動は一般的に、特定の固有振動数範囲を有し、音響エネルギーを吸収するための有効なメカニズムを構成する。従って、空洞１５８は、第２の側面１６０から音響エネルギーを受けかつ吸収して、スクリーチダイナミクスを減衰させる。

共振器１５０が受ける通常作動状態に耐えるようなあらゆる好適な材料により、空洞１５８を取り囲むことができる。さらに、空洞１５８は、燃焼缶１２０のセンタキャップ領域１８０（図４及び図５に示す）内への容易かつ費用効果のある据付けを可能にするあらゆる形状で形成することができる。例えば、それに限定されないが、本発明の実施形態は、略円筒形であり、約３．５０インチ〜約４．００インチの直径及び約２．００インチ〜約２．５０インチの深さを有し、かつ第１の側面１５２及び第２の側面１６０に接合することができる。

図２Ｃは、本発明の実施形態による第２の側面１６０を示している。第２の側面１６０は、第２の側面表面１６２と高温側面孔パターン１６４とを含むことができる。

第２の側面１６０は、共振器１５０の下流側面を形成することができ、下流側面は、燃焼缶１２０のヘッドエンド内の複数の燃料ノズル１２５に最も近接している。第２の側面１６０は、作動流体の一部分を受ける。作動流体は、第２の側面１６０を通して導かれて空洞１５８まで貫通して流れる。

第２の側面１６０は、燃焼缶１２０内のエフュージョンプレート（図４及び図５に示すような）と軸方向同位置に設置することができる。第２の側面１６０は、高温側面孔パターン１６４を形成した複数の孔を有することができる。高温側面孔パターン１６４は、第２の側面表面１６２を貫通して形成することができる。

第２の側面１６０は、共振器１５０が受ける通常作動状態に耐えるようなあらゆる好適な材料で形成することができる。第２の側面１６０は、燃焼缶１２０のヘッドエンド内への容易かつ費用効果のある据付けを可能にするあらゆる形状で形成することができる。例えば、それに限定されないが、本発明の実施形態は、略円形のプレートであり、約３．５０インチ〜約４．００インチの直径を有することができる。第２の側面１６０の厚さは一般的に、共振器１５０のスロート長さとして機能する。スロート長さは一般的に、特定の振動数のダイナミクスを減衰させるように共振器を構成するための重要なパラメータとしての働きをする。本発明の実施形態は、１０００Ｈｚ又はそれよりも高い振動数で発生するスクリーチダイナミクスを減衰させるような働きをする。第２の側面１６０の厚さは、０．１８７インチ〜約０．２５０インチの範囲とすることができる。

高温側面孔パターン１６４は、例えばそれに限定されないが、約２５〜約７０個の孔を含むことができる。高温側面孔パターン１６４内の孔の総数は、冷却側孔パターン１５６の各孔を通って流れる作動流体の噴流が、該噴射を第２の側面表面１６２上に衝突させるような方法で導かれるように構成されかつ配向される。

本発明の実施形態では、低温側面孔パターン１５６を形成する複数の孔の数は、高温側面孔パターン１６４を形成する孔の数よりも少なくすることができる。さらに、本発明の実施形態では、低温側面孔パターン１５６のうちでの各孔の寸法は、高温側面孔パターン１６４のうちでの各孔の寸法よりも小さくすることができる。前述した特徴により、作動流体の適切な配向及び燃焼ダイナミクスの減衰を行うことを保証することができる。

使用中に、共振器１５０は、特定の燃焼ダイナミック振動数を排除するように調整することができる。例えば、それに限定されないが、その燃焼ダイナミック振動数は、約１０００Ｈｚ〜約４０００Ｈｚの範囲とすることができ、さらに、その燃焼ダイナミック振動数は、約１０００Ｈｚよりも大きいあらゆる振動数について行うことができる。図３及び図４は、燃焼缶１２０内に据付けた共振器１５０を示す。具体的には図３を参照すると、この図は、本発明の実施形態による共振器の据付け位置を示す概略側面図である。燃焼缶１２０は、複数の燃料ノズル１２５を含む。共振器１５０の第２の側面１６０は、燃料ノズルの１２５の下流側端部近くで軸方向に設置することができる。本発明の実施形態では、空洞１５８、第１の側面１５２及び第２の側面１６０は、共振器１５０を形成するように接合される。流路１９５は、作動流体の下流側の流れを示しており、また第１の側面１５２は、燃焼缶１２０内での上流側位置を示している。

次に、図４を参照すると、この図は、本発明の実施形態による図３の共振器の上流側面の概略図である。幾つかの燃焼システムには、センタキャップ領域１８０（図５に示す）を有するエフュージョンプレート４００が組み込まれる。一般的に、センタキャップ領域１８０は、ピークスクリーチダイナミクスが生じる可能性がある領域内に設置される。共振器１５０は、通常又は一般的にセンタキャップ領域１８０を占める位置内に据付けることができる。従って、第２の側面１６０は、ダイナミクスを大幅に減衰させることができる。さらに、共振器１５０をセンタキャップ領域近くに据付けることによって、ダイナミクス減衰装置の据付け費用を大幅に低減することができる。

次に、図５を参照すると、この図は、本発明の別の実施形態による複数の共振器の据付け位置を示す上流側面の概略図である。燃焼器ダイナミクス振動数の変化する特質のために、複数の共振器１５０を設けることが望ましい場合がある。本発明の別の実施形態では、燃焼缶１２０の周りで円周方向に据付けられた少なくとも１つの共振器１５０を含むことができる。この場合、本発明により、最も有効なダイナミック減衰を行うことができるような振動数及び位置に対して共振器１５０を構成しかつ設置する自由度が可能になる。さらに、本発明の別の実施形態では、燃焼缶１２０の周りで円周方向に据付けた複数の共振器１５０と複数の燃料ノズル４００の中心部に据付けた共振器１５０とを含むことができる。

本発明をその幾つかの例示的な実施形態だけに関してかなり詳細に図示しかつ説明してきたが、特に前述の教示に照らして、本発明の新規教示及び利点から大きく逸脱せずに開示した実施形態に対して様々な改良、省略及び付加を行うことができるので、本発明者達が本発明をそれらの実施形態に限定することを意図してないことは当業者には分かるであろう。従って、特許請求の範囲によって定まる本発明の技術思想及び技術的範囲内に含むことができる全てのそのような改良、省略、付加及び均等物を保護することを意図するものである。

本発明の実施形態が作動する環境を示す概略図。 まとめて図２となる、本発明の実施形態による共振器の上流側面の概略図。 まとめて図２となる、本発明の実施形態による共振器の正面の概略図。 まとめて図２となる、本発明の実施形態による共振器の下流側面の概略図。 本発明の実施形態による、燃焼缶内に据付けられた共振器を示す概略側面図。 本発明の実施形態による、図３の共振器の上流側面の概略図。 本発明の別の実施形態による、複数の共振器の据付け位置を示す上流側面の概略図。

符号の説明

１００ ガスタービン
１１０ 圧縮機セクション
１２０ 燃焼缶
１２５ 燃料ノズル
１３０ タービンセクション
１４０ 移行セクション
１５０ 共振器
１５２ 第１の側面
１５４ 第１の側面表面
１５６ 低温側面孔パターン
１５８ 空洞
１６０ 第２の側面
１６２ 第２の側面表面
１６４ 高温側面孔パターン
１８０ センタキャップ領域
１９５ 流路
４００ エフュージョンプレート

Claims (10)

1. 燃焼器ダイナミクスを減衰させるためのシステムであって、
   複数の燃焼缶（１２０）を含みかつ各燃焼缶（１２０）がエフュージョンプレート（４００）に隣接して取付けられた複数の燃料ノズル（１２５）を含む燃焼システムと、
   前記燃焼缶（１２０）のヘッドエンド領域に隣接して据付けられた少なくとも１つの共振器（１５０）と、
   を含み、前記少なくとも１つの共振器（１５０）が、
   低温側面孔パターン（１５６）を形成した複数の孔を含む第１の側面（１５２）と、
   高温側面孔パターンを形成した複数の孔を含む第２の側面（１６０）と、
   前記第１の側面（１５２）及び高温側面によって実質的に形成された空洞（１５８）と、を含み、
   前記低温側面孔パターン（１５６）が、該低温側面孔パターン（１５６）内の複数の孔の各々が第２の側面表面（１６２）に実質的に衝突する冷却空気の噴流を可能にするように配向され、
   前記高温側面孔パターン（１６４）が、該高温側面孔パターン（１６４）内の複数の孔の各々が第１の側面表面（１５４）に実質的に衝突する作動流体の噴流を可能にするように配向される、
   システム。
2. 前記少なくとも１つの共振器（１５０）が、略円筒形の形状を有する、請求項１記載のシステム。
3. 前記少なくとも１つの共振器（１５０）が、前記エフュージョンプレート（４００）に隣接してセンタキャップ領域（１８０）の周りに据付けられる、請求項１記載のシステム。
4. 前記低温側面孔パターン（１５６）を形成した複数の孔の数が、前記高温側面孔パターンを形成した複数の孔の数よりも少ない、請求項１記載のシステム。
5. 前記低温側面孔パターン（１５６）のうちでの各孔の寸法が、前記高温側面孔パターンのうちでの各孔の寸法よりも小さい、請求項４記載のシステム。
6. 前記低温側面孔パターン（１５６）が、前記空洞（１５８）を通して前記冷却空気を導くように構成される、請求項１記載のシステム。
7. 前記共振器（１５０）が、約１０００Ｈｚ〜約４０００Ｈｚの燃焼ダイナミック振動数を減衰させるように構成される、請求項１記載のシステム。
8. 前記少なくとも１つの共振器（１５０）が、約１０００Ｈｚ以上の燃焼ダイナミック振動数を減衰させるように構成される、請求項１記載のシステム。
9. 前記少なくとも１つの共振器（１５０）が、前記エフュージョンプレート（４００）に隣接して円周方向に取付けられる、請求項１記載のシステム。
10. 前記エフュージョンプレート（４００）に隣接して円周方向に取付けられた少なくとも１つの付加的共振器（１５０）をさらに含む、請求項３記載のシステム。

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