JP5291790B2 - 燃焼器およびこれを備えたガスタービン - Google Patents
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Description
燃焼器では、高圧の空気に対して燃料を吹き出して燃料を燃焼させる。燃料が燃焼することにより発生する高温の燃焼ガスは、タービンに送られ、この高温の燃焼ガスがタービンを駆動する。
このタービンと前記圧縮機とは同じ回転軸の回りに回転するため、タービンがこのように駆動することにより、圧縮機も駆動し、上述したように空気を取り入れて圧縮をする。
特に、近年のガスタービンでは、運転時の環境への影響を考慮して排出ガスの低NOx(窒素酸化物)化が図られているが、低NOx化を図るためには燃料の希薄燃焼が多用される。
しかし、希薄燃焼は燃焼が不安定になり易く、このため燃焼振動が発生し易くなっていた。そこで、この燃焼振動に起因する音や振動を抑制するために、燃焼器に、たとえば、多孔板とその外側を覆うカバーとによって構成される比較的高周波の音を吸音する音響ライナを設けたり、大きな共鳴空間を有する比較的低周波の音を吸音する音響ダンパを設けたりしていた。
一方、比較的高周波の音を対象とする音響ダンパは、共鳴空間の容積が大きいので、その設置にあたり車室内のスペース上の制約を受けていた。
従来、燃焼ガスに車室内の空気を導入するバイパス流路を備えている燃焼器では、音響ダンパは、たとえば、特許文献1に示されるように、バイパス流路の周囲を用いて設置されている。
また、バイパス流路を備えていない形式の燃焼器では、たとえば、特許文献2に示されるように、燃焼器に環装する音響ライナに音響ダンパを接続し、音響ダンパの共鳴空間を形成する音響部を燃焼器の軸線方向あるいは半径方向へ延在するように設置するものが提案されている。
このように、大きな車室空間が必要となるので、ハウジングが大型化し、たとえば、ガスタービンの陸上輸送が不可能となる恐れがある。この輸送コストを含め、製造コストが大きくなる。
燃焼器は定期的にメンテナンスされるが、特許文献1では、バイパス流路を取り外さないと、また、特許文献2では、音響ダンパを取り外さないと、燃焼器は引き抜けないので、このメンテナンス作業が大掛かりとなる。
本発明の第1態様は、内部に燃焼領域を形成する筒体と、該燃焼領域に連通する音響ダンパ共鳴空間を有する音響部を有する音響ダンパと、を備える燃焼器であって、前記音響部は、前記筒体に沿って、前記筒体の軸線方向に対して交差する方向に延在するように設置されており、前記音響ダンパ共鳴空間は、少なくとも1回は折り返されて形成されている燃焼器である。
本発明の第2態様は、内部に燃焼領域を形成する筒体と、該燃焼領域に連通する音響ダンパ共鳴空間を有する音響部を有する音響ダンパと、を備える燃焼器であって、前記音響部は、前記筒体に沿って、前記筒体の軸線方向に対して交差する方向に延在するように設置されており、前記音響ダンパ共鳴空間には、少なくとも1つの流体抵抗部材が備えられている燃焼器である。
したがって、車室を小さくできるので、それを形成するハウジングを小型化することができる。このため、たとえば、ガスタービンの陸上輸送が十分可能となるので、輸送コストを含め、製造コストを低減させることができる。
また、音響部の筒体外周側への突起が小さくなると、音響ダンパと一体として燃焼器を引き出すことが容易に行えるので、燃焼器のメンテナンス性を向上させることができる。
また、減衰させる振動の周波数領域を調整する際に、音響ダンパ共鳴空間の容積(全長)の変更のみでなく、流体抵抗部材による抵抗値を変更することによっても調整することができる。したがって、音響ダンパによる振動の減衰性能を、より確実に向上させることができる。
この場合、複数設ける音響ダンパが有する音響ダンパ共鳴空間の容積(全長)が、互いに異なるようにしてもよい。このようにすると、それぞれの音響ダンパで異なる周波数領域の振動を減衰させることができる。
したがって、音響ダンパによる振動の減衰性能を、より確実に向上させることができる。
したがって、車室を小さくできるので、それを形成するハウジングを小型化することができる。このため、たとえば、ガスタービンの陸上輸送が十分可能となるので、輸送コストを含め、製造コストを低減させることができる。
また、音響部の筒体外周側への突起が小さくなると、音響ダンパと一体として燃焼器を引き出すことが容易に行えるようにできるので、燃焼器のメンテナンス性を向上させることができる。
[第1実施形態]
本発明の第1実施形態にかかるガスタービン1について図1〜図4を参照して説明する。
図1は、本実施形態のガスタービン1の構成を説明する模式図である。図2は、図1の燃焼器5における構成の概略を説明する模式図である。
圧縮機3は、外部の空気である大気を吸入して圧縮し、圧縮された空気を燃焼器5に供給するものである。
なお、圧縮機3としては、公知の構成を用いることができ、特にその構成を限定するものではない。
燃焼器5は、ハウジング11に、それを貫通して車室13に至るように取り付けられ、周方向に沿って複数個(たとえば、16個)配置されている。
燃焼器5には、図2に示すように、空気供給口15と、燃料ノズル17と、燃焼筒19(筒体)と、減衰装置21と、が主に備えられている。
空気供給口15は、燃焼筒19の内部に流入する空気に、旋回方向の流速成分を与えるとともに、燃焼筒19の内部に循環流れを形成するものである。
なお、空気供給口15としては、公知の形状を用いることができ、特に限定するものではない。
なお、燃料ノズル17としては、公知の形状を用いることができ、特に限定するものではない。
燃焼筒19は、耐熱性を有する金属、たとえば、ニッケル基合金から構成されている。
冷却通路25の一端は、たとえば、図示しないボイラに接続され、冷却媒体としての蒸気が流れるようにされている。冷却通路25の他端は蒸気排出流路27に接続されている。冷却通路25を通った蒸気は蒸気排出流路27を通って系外に排出されるか、ボイラに還流するようにされている。
なお、本実施形態においては、燃焼筒19の冷却媒体として蒸気を用いる場合を示しているが、設計条件によっては空気を用いてもよい。この場合、蒸気排出流路27は不要となる。空気冷却用の構造としては公知の構造を用いることができ、特に限定されるものではない。
減衰装置21には、音響ライナ29と、音響ダンパ31と、が備えられている。
音響ライナ29には、燃焼筒19の一部を構成する筒状をした板部(多孔板部)33と、ライナカバー(カバー部材)35と、が備えられている。
貫通孔37は、軸線方向Lおよび周方向Cに、互いに間隔を開けて列をなして複数形成されている。
また、貫通孔37は全て同一形状としてもよいし、後述する第1音響ダンパ共鳴空間43と音響ライナ共鳴空間44とで、各々別形状としてもよく、特に限定されるものではない。
ライナカバー35の開放部の軸線方向L長さは、貫通孔37が形成されている範囲よりも大きくされている。
ライナカバー35は、U字状の断面形状の開放側端部が板部33に、たとえば、ロウ付けによって接合されている。なお、ライナカバー35の取り付けは溶接を用いてもよい。
図3において、板部33、ライナカバー35、第1仕切板39および第2仕切板42によって囲まれた上部の全周の約三分の一に亘る空間が第1音響ダンパ共鳴空間43となり、下部の約三分の二に亘る範囲が音響ライナ共鳴空間44となる。
ダンパカバー45は、内周側が開放されたU字状の断面形状をしたリング状部材である。ダンパカバー45は、ライナカバー35の外周側にその略全周囲を囲繞するように設けられている。
ダンパカバー45の開放部の軸線方向L長さは、図4に示されるように蒸気排出流路27およびライナカバー35が形成されている範囲よりも大きくされている。
なお、前述したように、燃焼筒19の冷却媒体として空気を用いる場合は、蒸気排出流路27は不要となり、ダンパカバー45はライナカバー35を囲繞する十分な大きさとすればよい。
ダンパカバー45は、U字状の断面形状の開放側端部が板部33(燃焼筒19)に、たとえば、ロウ付けによって接合されている。なお、ダンパカバー45の取り付けは溶接を用いてもよい。
板部33、ダンパカバー45、ライナカバー35の外側面、蒸気排出流路27の外側面および第2仕切板41によって囲まれた空間は、第2音響ダンパ共鳴空間49として形成される。
第2音響ダンパ共鳴空間49は全周に亘り設けられ、かつ、横断面積も大きいので、音響ライナ共鳴空間44よりも格段に大きな容積(全長)を有している。
なお、本実施形態においては、第2仕切板41は、第1音響ダンパ共鳴空間43と音響ライナ共鳴空間44とを仕切る共用部材となっているが、それぞれに必要な共鳴空間の容積(全長)を確保するために、必要に応じて第2仕切板41を別部材としてもよい。
第2音響ダンパ共鳴空間49は、開口部47を介して第1音響ダンパ共鳴空間43と連通している。第1音響ダンパ共鳴空間43は、貫通孔37を介して燃焼領域23と連通しているので、第2音響ダンパ共鳴空間49は燃焼領域23と連通していることになり、一体の音響ダンパ31として作用する。
これにより、ダンパカバー45は燃焼筒19の外周側への突起が抑制されるので、燃焼器5の外側に必要な空間を削減することができる。
したがって、車室13を小さくできるので、それを形成するハウジング11を小型化することができる。このため、たとえば、ガスタービン1を陸上輸送可能な寸法とすることができるので、輸送コストを含め、製造コストを低減させることができる。
また、音響ライナ29の一部を構成するライナカバー35を音響ダンパ31の構成部材と兼用して一体に形成することにより、音響ダンパ31を燃焼筒19とは別体に形成した場合と比べ、材料が少なくなるので、音響ダンパ31の製造コストを低減させることができる。
なお、多孔質金属51は、必要に応じて用いられるものであり、これを省略することは可能である。
回転軸9は、図1に示すように、回転軸線まわりに回転可能に支持される円柱状の部材であり、タービン部7により発生された回転駆動力を圧縮機3に伝達するものである。
なお、タービン部7および回転軸9としては、公知の構成を用いることができ、特にその構成を限定するものではない。
ガスタービン1は、図1に示すように、圧縮機3が回転駆動されることにより大気(空気)を吸入する。吸入された大気は、圧縮機3により圧縮されるとともに、燃焼器5に向かって送り出される。
燃焼器5に流入された圧縮された空気は、燃焼器5において外部から供給された燃料と混合される。空気および燃料の混合気は燃焼器5において燃焼され、燃焼熱により高温の燃焼ガスが生成される。
燃焼器5において生成された燃焼ガスは、燃焼器5から下流のタービン部7に供給される。タービン部7は高温ガスにより回転駆動され、その回転駆動力は回転軸9に伝達される。回転軸9は、タービン部7において抽出された回転駆動力を圧縮機3などに伝達する。
特に、排出ガスの低NOx化を図るため燃料を希薄燃焼させると、燃焼が不安定になり易く、燃焼振動が発生し易くなる。
このように燃焼振動が発生すると、燃焼振動による空気振動(圧力波)が板部33の貫通孔37に入る。
音響ライナ29における音響ライナ共鳴空間44内の空気と貫通孔37内の空気とは、音響ライナ共鳴空間44内の空気がバネとして機能することにより共鳴系を構成している。このため、板部33の内側で発生した燃焼振動による空気振動、あるいは音のうち、音響ライナ共鳴空間44の容積(全長)や貫通孔37の全長に応じた周波数領域の音に対して貫通孔37内の空気が激しく振動し、共鳴するので、空気と貫通孔37の表面との摩擦によって、この共鳴周波数の音が吸音される。これにより、燃焼振動の振幅が減衰されて燃焼振動による音が低減する。
この音響ダンパ31は、音響ライナ共鳴空間44よりも大きな容積(全長)を有している。このため、音響ダンパ31の共鳴空間(第1音響ダンパ共鳴空間43および第2音響ダンパ共鳴空間49)では、音響ライナ共鳴空間44で減衰する振動の波長よりも長い波長の振動、すなわち、音響ライナ共鳴空間44で減衰することのできる振動の周波数領域よりも低い周波数領域の振動を減衰することができる。
音響ライナ29と音響ダンパ31とをそれぞれ設置することにより、複数の周波数領域の振動を減衰することができる、あるいは、広い周波数領域の振動を減衰することができる。
したがって、燃焼器5における燃焼時に発生する騒音を効果的に低減することができる。
ガスタービン1運転中、貫通孔37には、燃焼ガスが侵入することがある。貫通孔37に燃焼ガスが侵入すると燃焼ガスによって加熱されるので、周囲との温度差によって熱応力が大きくなる。
板部33は、冷却通路25を通る蒸気によって冷却されているので、貫通孔37の周囲が十分に冷却される。これにより、この熱応力の上昇を抑制することができる。
ダンパカバー45A,45Bはそれぞれ周方向Cの長さ(共鳴空間の全長)を変えるか、多孔質金属51の周方向Cの取付位置を変える、あるいはその両方により、吸収できる振動の周波数を変えることができる。
したがって、音響ダンパ31A,31Bによる振動の減衰性能を、より確実に向上させることができる。
次に、本発明の第2実施形態について図6および図7を参照して説明する。
本実施形態のガスタービンの基本構成は、第1実施形態と同様であるが、第1実施形態とは、減衰装置21の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、異なる減衰装置21について主として説明し、その他の構成要素等については重複した説明を省略する。
図6は、本実施形態のガスタービン1の燃焼器5における減衰装置21の構成を説明する要部断面図である。図7は、図6のZ−Z断面図である。
なお、第1実施形態と同一の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。
ダンパカバー53は、周方向Cの一部が切り欠かれているが、この切欠部の少なくとも一部は第1音響ダンパ共鳴空間43の設置位置と重なるようにされている。
ダンパカバー53の内周面には、周方向Cに延在するダンパ溝55が形成されている。ダンパ溝55は、ダンパカバー53の略全長に亘り設けられている。ダンパ溝55の外周部は、外側に突出する壁部で構成されている。
ダンパカバー53は、ダンパ溝55の壁部がライナカバー35に、たとえば、ロウ付けによって接合されている。なお、ダンパカバー53の取り付けは溶接を用いてもよい。
ダンパカバー53は、図7に示されるように板部33(燃焼筒19)と接触しないように間隔が空けられて装着される。
第2音響ダンパ共鳴空間57は略全周に亘り設けられ、かつ、横断面積も大きいので、音響ライナ共鳴空間44よりも格段に大きな容積(全長)を有している。
ダンパカバー53の周方向C長さは、目的とする周波数領域に応じて設定される容積(全長)を確保できるように設定される。
第2音響ダンパ共鳴空間57は、開口部59を介して第1音響ダンパ共鳴空間43と連通している。第1音響ダンパ共鳴空間43は、貫通孔37を介して燃焼領域23と連通しているので、第2音響ダンパ共鳴空間57は燃焼領域23と連通し、一体の音響ダンパ31として作用することになる。
これにより、ダンパカバー53は燃焼筒19の外周側への突起が抑制されるので、燃焼器5の外側に必要な空間を削減することができる。
したがって、車室13を小さくできるので、それを形成するハウジング11を小型化することができる。このため、たとえば、ガスタービン1を陸上輸送が十分可能な寸法とすることができるので、輸送コストを含め、製造コストを低減させることができる。
本実施形態では、ダンパカバー53は、燃焼器5の運転によって加熱される板部33(燃焼筒19)から間隔を空けるように装着されているので、第1実施形態のダンパカバー45に比べて熱応力を緩和することができる。
ダンパカバー53は、ライナカバー35の全てを覆わないように取り付けられているので、パージ空気をライナカバー35内の音響ライナ共鳴空間44に容易に供給することができる。
次に、本発明の第3実施形態について図8および図9を参照して説明する。
本実施形態のガスタービンの基本構成は、第1実施形態と同様であるが、第1実施形態とは、減衰装置21の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、異なる減衰装置21について主として説明し、その他の構成要素等については重複した説明を省略する。
図8は、本実施形態のガスタービン1の燃焼器5における減衰装置21の構成を説明する要部断面図である。図9は、図8のW−W断面図である。
なお、第1実施形態と同一の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。
ダンパカバー61は、図9に示されるように内周側が開放された矩形状の断面形状をし、リングの一部(たとえば、略160度の範囲)を形成するように湾曲されている。ダンパカバー61には、図8に示されるように、湾曲に沿った方向で、高さの異なる小径部分65と、大径部分67とが備えられている。大径部分65の両端部は、端板69,71によって封鎖されている。小径部分65の端部は、端板73によって封鎖されている。
大径部分67内には、小径部分65よりも外側の空間を仕切る周方向の仕切板75が設けられている。周方向の仕切板75の一端は、端板69に固定され、他端は端板71の近くまで延びている。
ダンパカバー61の開放部の軸線方向L長さは、図9に示されるようにライナカバー35よりも短くされている。
ダンパカバー61は、U字状の断面形状の開放側端部がライナカバー35に、たとえば、ロウ付けによって接合されている。なお、ダンパカバー61の取り付けは溶接を用いてもよい。
第2音響ダンパ共鳴空間77は、小径部分65の内側で形成される第1空間、小径部分65の外側と周方向の仕切板75の内側とで形成される第2空間および周方向の仕切板75の外側と大径部分67の内側とで形成される第3空間で形成される。
第1空間と第2空間とは、端板69の近傍で連通している。第2空間と第3空間とは、端板69の近傍で連通している。これにより、第2音響ダンパ共鳴空間77は、2回折り返されて形成されていることになる。
第2音響ダンパ共鳴空間77は、横断面積も大きいこともあいまって、音響ライナ共鳴空間44よりも格段に大きな容積(全長)を有している。
開口部63は、軸方向Lに細長い略矩形状をし、ライナカバー35を貫通するようにされている。
第2音響ダンパ共鳴空間77は、開口部63を介して第1音響ダンパ共鳴空間43と連通している。第1音響ダンパ共鳴空間43は、貫通孔37を介して燃焼領域23と連通しているので、第2音響ダンパ共鳴空間77は燃焼領域23と連通していることになり、一体の音響ダンパ31として作用する。
これにより、ダンパカバー61は燃焼筒19の外周側への突起が抑制されるので、燃焼器5の外側に必要な空間を削減することができる。
したがって、車室13を小さくできるので、それを形成するハウジング11を小型化することができる。このため、たとえば、ガスタービン1を陸上輸送が十分可能な寸法とすることができるので、輸送コストを含め、製造コストを低減させることができる。
ダンパカバー61は、周方向Cの略半周以下を覆っているだけであるので、残りの半周以上の部分には、別の部材を設置することができる。
したがって、音響ダンパ31A,31Bによる振動の減衰性能を、より確実に向上させることができる。
また、2個の音響ダンパ77A,77Bの容積(周方向Cの長さ、つまり共鳴空間の全長)を異ならせるようにしてもよいし、多孔質金属51A,51Bの取付位置を変えてもよい。このようにすると、それぞれ減衰する周波数領域の異なる2個の音響ダンパ31A,31Bが形成されるので、比較的低い周波数領域における複数の周波数領域の振動を減衰することができる、あるいは、広い周波数領域の振動を減衰することができる。
この場合、音響ダンパ共鳴空間49,57,77は、それぞれ直接燃焼領域23と連通することになる。
3 圧縮機
7 タービン
19 燃焼筒
23 燃焼領域
29 音響ライナ
31,31A,31B 音響ダンパ
33 板部
35 カバー
37 貫通孔
43 第1音響ダンパ共鳴空間
44 音響ライナ共鳴空間
45,53,61 ダンパカバー
49,57,77 第2音響ダンパ共鳴空間
51,51A,51B 多孔質金属(流体抵抗部材)
53,55 溝部
L 軸線方向
Claims (7)
- 内部に燃焼領域を形成する筒体と、
該燃焼領域に連通する音響ダンパ共鳴空間を有する音響部を有する音響ダンパと、を備える燃焼器であって、
前記音響部は、前記筒体に沿って、前記筒体の軸線方向に対して交差する方向に延在するように設置されており、
前記音響ダンパ共鳴空間は、少なくとも1回は折り返されて形成されている燃焼器。 - 前記音響ダンパ共鳴空間には、少なくとも1つの流体抵抗部材が備えられている請求項1に記載の燃焼器。
- 内部に燃焼領域を形成する筒体と、
該燃焼領域に連通する音響ダンパ共鳴空間を有する音響部を有する音響ダンパと、を備える燃焼器であって、
前記音響部は、前記筒体に沿って、前記筒体の軸線方向に対して交差する方向に延在するように設置されており、
前記音響ダンパ共鳴空間には、少なくとも1つの流体抵抗部材が備えられている燃焼器。 - 前記筒体を構成し、厚さ方向に貫通する複数の貫通孔が設けられている多孔板部と該多孔板部の周囲に間隔を空けて覆うように設けられたカバー部材とによって形成される音響ライナ共鳴空間を有する音響ライナを備えている請求項1ないし3のいずれか1項に記載の燃焼器。
- 前記音響部の少なくとも一部は、前記カバー部材の外周側に設置されている請求項4に記載の燃焼器。
- 前記音響ダンパは、複数備えられている請求項1ないし5のいずれか1項に記載の燃焼器。
- 圧縮機と、請求項1ないし6のいずれか1項に記載の燃焼器と、タービンと、を備えるガスタービン。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011501455A JP5291790B2 (ja) | 2009-02-27 | 2009-10-15 | 燃焼器およびこれを備えたガスタービン |
Applications Claiming Priority (4)
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