JP5555552B2 - ガスタービン燃焼器エンジンにおいて燃焼器缶の間の動的相互作用を抑制する方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼ダイナミックス制御に関し、より詳細には、共振器を用いて多缶型燃焼器内のダイナミックスを低減するために共振器を用いるためのシステム及び方法に関する。

ガスタービンエンジンにおいて、空気が圧縮機において加圧され、燃焼器内で燃料と混合されて高温の燃焼ガスを生成し、該燃焼ガスがタービン段を通って下流側に流れ、ここでエネルギーが抽出される。大型の産業用発電ガスタービンエンジンは通常、燃焼ガスが別個に生成され且つ集合的に排出される個々の燃焼器缶の列を有する缶型燃焼器を含む。缶型燃焼器は、独立した別個の構成部品であるので、各々がそれぞれの燃焼熱ストリームを生成し、缶の静的及び動的作動が相互に関連する。

缶型燃焼器エンジンの有効な作動に特に懸念されるのは、燃焼ダイナミックス、すなわち作動の動的不安定性である。高いダイナミックスは、多くの場合、排気ガスの温度（すなわち放熱）及び燃焼器缶内の振動する圧力レベルなどの条件に対する変動によって引き起こされる。このような高ダイナミックスは、ハードウェア寿命及び／又はエンジンのシステム作動性を制限し、このような問題を機械的及び熱的疲労として引き起こす可能性がある。燃焼器のハードウェア損傷は、燃料ノズル、ライナ、過渡要素、過渡要素側部、半径方向シール、衝突スリーブ、及びその他の形態で生じる可能性がある。これらの問題は、損傷、非効率性、又は燃焼ハードウェア損傷に起因したブローアウトにつながる可能性がある。

従って、燃焼ダイナミックスを制御する、すなわちシステム性能の劣化を防ぐ様々な試みがなされてきた。産業用ガスタービン燃焼システムにおける燃焼ダイナミックスを制御する２つの基本的な方法があり、すなわちパッシブ制御とアクティブ制御である。名称が示す通り、パッシブ制御とは、動的圧力振動又は放熱レベルを低減するために特定の設計機能及び特性を組み込んだシステムを意味する。他方、アクティブ制御とは、例えば圧力又は温度変動を検出し、更に、コントローラによって好適に処理されたときに制御デバイスへの入力信号をもたらすフィードバック信号を供給するためのセンサを組み込んでいる。その結果、コントロールデバイスは、動的圧力振動又は過剰な放熱レベルを低減するよう動作する。

圧力変動及び放熱の両方の動的作用を考慮して、圧力振動と放熱振動との間に構造的結合が存在することは、本発明の態様により認識されている。詳細には、燃焼ダイナミックスは、放熱及び圧力変動が互いに同相状態にあるときに増大する。従って、パッシブダイナミックスを軽減するための公知の解決策は、圧力及び放熱振動の結合解除（火炎形状、位置、その他を変更し、燃焼エンジン内の放熱を制御することによる）又は圧力及び放熱の離相など、１以上の技術によりダイナミックスを低減するよう試みてきた。

種々の用途において幾つかのダイナミックス問題に対処するのに使用される１つの公知の装置は共振器である。共振器組立体が使用されているが、これらの用途は、外見上、音響エネルギーの純粋な吸収によって高周波安定性の減衰に限定されている。例えば、四分の一波長の共振器は、燃焼タービン発電プラントにおける音響エネルギーを抑制し、又は航空用途で燃焼の音響性質を変化させるのに使用される。

当該技術では、高燃焼ダイナミックスを低減し、システム効率を改善し、更にガスタービンエンジン構成部品の有効寿命を延長させる改善されたシステム及び方法を継続的に探し求めている。

米国特許第７４４１４１１号明細書

一般に、本発明の例示的な実施形態は、ガスタービンエンジンの燃焼セクション内の燃焼器缶に選択的に結合される複数の共振器を提供する。開示される共振器組立体の選択的配列及び調整は、音響エネルギーの吸収及び隣接缶の間の周波数レベルの変更の両方によって比較的高い燃焼ダイナミックスを低減するよう構成される。

本発明の１つの例示的な実施形態は、ガスタービンエンジン用の燃焼器に関する。燃焼器は、燃焼ガスのそれぞれのストリームを生成し、且つ該燃焼ガスのストリームを集合的に排出するための複数の連続して配列された燃焼器缶を含む。燃焼器は更に、燃焼器缶の選択されたものに結合される複数の共振器を備える。共振器は、例えば、燃焼器缶の連続した配列においてあらゆる燃焼器缶に、又は１つおきに、又は２つおきに、又は同様のように取り付けることができる。加えて、共振器は、１以上の所与の動作周波数で発生する圧力振動を抑制するよう選択的に構成することができる。

本発明の別の例示的な実施形態は、ガスタービン燃焼器エンジンにおいて燃焼器缶の間の缶の動的相互作用を抑制する方法に関する。このような方法は、燃焼ガスのそれぞれのストリームを生成し、且つ該燃焼ガスのストリームを集合的に排出するための複数の連続して配列された燃焼器缶を設けるステップを含む。複数の共振器がまた、燃焼器缶のうちの選択された燃焼器缶に動作可能に結合させるために設けられる。次に、複数の共振器は、複数の連続して配列された燃焼器缶において隣接する燃焼器缶から排出されるストリームの非同相及び同相の動的相互作用の１以上を抑制するよう、選択的に調整される。

ガスタービンを含むガスタービンシステムの切り欠き側面図。 図１に示すガスタービンエンジンと共に使用することができる例示的なガスタービンエンジン燃焼器缶の断面の概略図。 ガスタービンエンジン内の従来技術の燃焼器缶の例示的な半径方向配列の概略図。 燃焼ダイナミックスの抑制のために結合された対応する共振器の第１の例示的な配列を含む、ガスタービンエンジン内の燃焼器缶の例示的な半径方向配列の概略図。 燃焼ダイナミックスの抑制のために結合された対応する共振器の第２の例示的な配列を含む、ガスタービンエンジン内の燃焼器缶の例示的な半径方向配列の概略図。 燃焼ダイナミックスの抑制のために結合された対応する共振器の第３の例示的な配列を含む、ガスタービンエンジン内の燃焼器缶の例示的な半径方向配列の概略図。 ３つの状態、すなわち共振器なしの状態、第１の例示的な共振器が結合された状態、及び第２の例示的な共振器が結合された状態で動作するタービンエンジン燃焼器缶における、擬似的圧力スペクトラム値（０〜１の範囲にわたって正規化された）対周波数（同様に０〜１の範囲にわたって正規化された）の例示的なグラフ表現の図。 約０．２〜０．６の正規化周波数範囲における図８の圧力対周波数のグラフ表現の拡大図。 図３に示すような、ガスタービン燃焼エンジンにおける１８の例示的な缶について、擬似的圧力振幅（０〜１の範囲にわたって正規化された）対周波数（同様に０〜１の範囲にわたって正規化された）の例示的なグラフ表現の図。 約０．６８８〜０．７５２の正規化周波数範囲における図９の圧力対周波数のグラフ表現の拡大図。 開示される共振器組立体を用いて達成できるような周波数分離による、ガスタービン燃焼器エンジンの１８の例示的な缶についての擬似的圧力振幅（０〜１の範囲にわたって正規化された）対周波数（同様に０〜１の範囲にわたって正規化された）の例示的なグラフ表現の図。 約０．６８８〜０．７５２の正規化周波数範囲における図１１の圧力対周波数のグラフ表現の拡大図。 第１の所与の周波数レベルで動作するときの図３に示すような１８缶ガスタービン燃焼器エンジンの各缶における例示的な圧力レベルの例示的なグラフ表現の図。 コヒーレンスが第１の所与の周波数レベルで動作しているときの缶１に対して測定された、図３に示すような１８缶ガスタービン燃焼器エンジンの各缶についての例示的なコヒーレンスレベルの例示的なグラフ表現の図。 開示される共振器組立体を用いて達成できるような周波数分離が利用されるときの、第１の所与の周波数レベルで動作している１８缶ガスタービン燃焼器エンジンの各缶における例示的な圧力レベルの例示的なグラフ表現の図。 開示される共振器組立体を用いて達成できるような周波数分離が利用されるときに、コヒーレンスが缶１に対して測定された、第１の所与の周波数レベルで動作している１８缶ガスタービン燃焼器エンジンの各缶についての例示的なコヒーレンスレベルの例示的なグラフ表現の図。

好ましい例示的な実施形態に従って、本発明をその更なる目的及び利点と共に添付図面と併用された以下の詳細な説明においてより具体的に説明する。

次に、本発明の特定の実施形態を説明し、その１以上の実施例は、図面において例証される。各実施形態は、本発明の態様の説明として提示され、本発明の限定とみなすべきではない。例えば、１つの実施形態に関して図示され説明される特徴は、別の実施形態と共に使用して、更に別の実施形態を提供することができる。本発明は、本明細書で説明される実施形態に対して形成されたこれら及び他の修正形態又は変形形態を含むことが意図される。

図１は、ガスタービンエンジン２０を含むガスタービンエンジンシステム１０の切り欠き側面図である。ガスタービンエンジン２０は、圧縮機セクション２２、複数の燃焼器缶２６を含む燃焼器セクション２４、及びシャフト（図示せず）を用いて圧縮機セクション２２に結合されるタービンセクション２８を含む。

作動中、周囲空気は、圧縮機セクション２２に送られ、ここで周囲空気は、周囲圧力よりも大きな圧力まで加圧される。次いで、加圧空気は燃焼器セクション２４に送られ、ここで加圧空気及び燃料が組み合わされて、比較的高圧高速のガスを生成する。タービンセクション２８は、燃焼器セクション２４から排出される高圧高速のガスからエネルギーを抽出し、燃焼燃料混合気を用いて、例えば、電気、熱、及び／又は機械エネルギーなどのエネルギーを生成する。１つの実施形態において、燃焼燃料混合気は、キロワット時（ｋＷｈ）で測定される電気エネルギーを生成する。しかしながら、本発明は、電気エネルギーの生成に限定されず、機械仕事及び熱などの他のエネルギー形態を包含する。ガスタービンエンジンシステム１０は、通常、ガスタービンエンジンシステム１０に取り付けられる自動及び／又は電子制御システム（図示せず）による種々の制御パラメータを介して制御される。

図２は、例示的なガスタービンエンジン燃焼器缶２６の断面の概略図であり、ガスタービンエンジン制御システム２０２の一部の概略図を含む。アニュラ型燃焼器２６は、内側エンジンケーシング２１４と外側エンジンケーシング２１６との間でアニュラス内に位置付けることができる。ディフューザ２１８は、圧縮機セクション２２（図１に示す）からアニュラス２１２に軸方向に通じている。燃焼器缶２６は、これらの燃焼ガスストリームをタービンセクション２８（図１に示す）にある共通平面に集合的に排出する。複数のメイン燃料ノズル２２０は、アニュラス２１２内で円周方向に離間して配置され、ディフューザ２１８から出る空気の一部とメイン燃料を予混合し、燃料及び空気混合気を燃焼器２６に供給する。複数のメイン燃料供給導管２２２は、燃料をメインノズル２２０に供給する。複数のパイロット燃料ノズル２２６は、燃料をパイロット燃料ノズル２２６に配分する複数のパイロット燃料供給導管２２８を用いて、パイロット燃料を燃焼器２６に供給する。複数の点火装置（図示せず）は、パイロット燃料ノズル２２６の近傍内に位置付けられ、パイロット燃料ノズル２２６に供給される燃料を点火することができる。

燃焼センサ２３０は、燃焼器２６内に位置付けられ、ここで圧力及び／又は火炎変動を監視することができる。センサ２３０は、燃焼器缶２６内の燃焼状態を示す信号をオンラインガスタービンエンジン制御システム２０２に送信し、該エンジン制御システム２０２は、燃料コントローラ２３４と通信して、燃焼器２６に対するパイロット燃料及びメイン燃料の流量を調整し、更に、空気コントローラ２３６と通信して、エンジン空気制御ダンパー（図示せず）を制御することができる。

異なるガスタービン燃焼エンジンは、異なる数の燃焼器缶を有することができる。例えば、発電用ガスタービンエンジンは、６、１２、１４、１８、又は２４個の缶が線形構成、半径方向構成、又は他の連続配置で設けられた缶型燃焼器を含むことができる。本明細書で提示される複数の実施例は、１８缶構成を引用しているが、不必要に限定する特徴ではない点を理解されたい。このような例示的な数の缶よりも多いか又は少ない缶を利用してもよい。

図３は、燃焼エンジンで使用するための１８缶構成の概略表現を提示している。この特定の実施例において、缶２６（これらの各々は、それぞれＣ１、Ｃ２、・・・、Ｃ１８のラベルが付いている）は、エンジンの長手方向又は軸方向中心軸線の周りでほぼ対称である。各燃焼器缶は、一般に、ヘッド端部、燃焼器ライナ、及び一体化された移行部品（図示せず）を含む。対応する燃焼器缶からの各燃焼器缶２６の移行部品出口は、燃焼器の周囲に互いに隣接し、これらの別個の燃焼器ストリームを共通の平面位置（例えば、共通の単一タービンノズル）に全体的に排出する。図３は、本発明の一体化共振器特徴部を含んでいないので、従来技術として表記されているが、図３に関して検討される汎用構成部品は、また、図４〜図６の缶（例えば、ヘッド端部、燃焼器ライナ、一体化移行部品、その他の特徴）にも適用される。

複数の燃焼器缶がそれぞれのガスストリームを共通タービンノズルに集合的に排出するので、円周方向に隣接するストリームの動的相互作用の望ましくない高いレベルの可能性が存在する場合がある。例えば、対応する燃焼ガスストリームにおける燃料及び空気混合気の燃焼は、静圧と、ストリーム内の周期的圧力振動によって表される動圧との両方を生成することができる。周期的圧力振動は、周波数固有であり、非共振周波数におけるゼロから、共振周波数での高圧力振幅まで振幅が変化する。以下で更に詳細に説明するように、隣接するガスストリームの動的相互作用は、好ましくは、プッシュプル動的モードに対応する、缶から排出されるストリームの非同相の動的相互作用を抑制することによって軽減される。加えて、同相の動的相互作用は、プッシュプッシュトーンのコヒーレンスを低減することによって対処される。動的相互作用のレベルの改善は、一般に、燃焼性能を向上させると同時に、疲労損傷を低減又は排除することが意図される。

動的相互作用の望ましくないプッシュプルモードは、何れかの２つの隣接する缶の間の交互する正及び負の位相関係として特徴付けることができる。動的モードは、正弦波形である対応する周期的圧力振動に固有の周波数である。波形のピークは、正又はプラス（＋）の値と考えられ、トラフ又は谷は、対応するマイナス（−）の値である。隣接燃焼器缶がプッシュプルモードで動的に相互作用すると、ある缶でのプラスの値は、対応する周波数にて隣接する缶のマイナスの値と同相である。

従来の多缶型燃焼器についての経験的試験データは、ほぼ第１の周波数において動的相互作用のプッシュプルモードを示唆しており、相互作用の次の共振モードは、より高次の２次周波数においてプッシュプッシュモードとなる。圧力振動の振幅は、周波数モードの増大に伴って実質的に減少する。１８缶を有する１つの例示的な燃焼器構成では、圧力振動からのプッシュプル動的相互作用が生じる第１の共振周波数は、ほぼ第１の周波数であり、プッシュプッシュモードが高燃焼ダイナミックスを引き起こす第２の共振周波数は、第２の高周波数である。プッシュプル及びプッシュプッシュ動的相互作用の両方が、缶毎に特定の非同相又は同相の対応性を必要とするので、共振器は、同相及び非同相の相互作用のそれぞれの発生の連続性を阻止するために、開示された技術に従って用いることができる。

一般に、燃焼器エンジン内での一体化用途に対する本開示の共振器組立体の利点は、燃焼器エンジン内で選択された缶に複数の共振器を結合することによって達成される。共振器は、各当初の不安定性よりも高い及び低い２つの異なる周波数に不安定モード（第１及び第２のそれぞれの共振周波数でのプッシュプル及びプッシュプッシュモードなど）からのエネルギー含量を低減することによって、燃焼ダイナミックスを制御するパッシブデバイスとしての機能を果たす。この概念は、各缶における圧力振動ピークに起因する不安定周波数が隣接缶と比べて異なっており、従って、特定周波数での缶の間の物理的相互作用を破断するのを可能にすることを保証するものである。隣接する缶におけるこのような周波数の不整合は、隣接する缶の間のコヒーレンスを弱め、従って、ガスタービンエンジン内のタービンバケット及び他の構成部品における懸念点である完全プッシュプッシュトーンを排除する。加えて、クロストーク区域でのインピーダンス不整合は、プッシュプルトーンにおける減衰をもたらすことになる。

図４、５、及び６は、望ましい音響吸収及び周波数分離作用を達成するために、燃焼器缶に選択的に結合された共振器を有する３つの例示的な多缶型燃焼器構成の概略図を提供する。このような実施例は、缶型燃焼器内の例示的な共振器配置を示すために設けられるが、缶及び対応する共振器の数は、開示される技術の不必要に限定する態様であるべきではない点を理解されたい。このような構成（例えば、缶の連続した配置において、缶毎、１つおき、２つおき、その他）の一般的性質は、缶の総数が異なる（すなわち、６、１２、２４、及びその他）燃焼器に適用することができる。加えて、幾つかの実施形態は、各缶又は缶の選択群に適用される１つよりも多い共振器を含むことができ、所与の缶上の異なる共振器は、同じ又は異なる共振周波数に調整される。

加えて、共振器が、１８缶型燃焼器エンジンの共振周波数に対応する特定の周波数レベルでの動作用に調整されるように本明細書で検討される場合、これは限定と解釈すべきではない。共振器は、共振器の長さ、形状、及び全体の容積に関する設計基準を注意深く選ぶことによって、あらゆる選択された周波数での動作のために設計することができる。減衰すべき周波数がどれであるかについての判断は、通常、過去の経験、経験的及び半経験的モデリングを組み合わせることによって、並びにカットアンドトライで実施される。例えば、管体ベースの共振器では、特性長Ｌの設計が極めて重要であり、減衰すべき音響圧力振動の波長を求めるために当該技術分野で公知の半経験的方法を用いて最適に達成される。オープンエンドの管体共振器では、特性長Ｌは、Ｌ＝Ｃ／２ｆとして求められ、クローズドエンドの管体共振器では、特性長Ｌは、Ｌ＝Ｃ／４ｆとして求められ、ここでｆ＝振動周波数（Ｈｚ）、Ｃ＝管体内に含まれる音の音響速度（ｆｔ／ｓｅｃ）、及びＬ＝特性長（ｆｔ：フィート）である。

燃焼器缶の構成部品に対する各共振器の位置はまた、各共振器が動作するよう設計される周波数に応じて、本明細書で開示される構成に従って変えることができる。詳細には、各共振器の端部は、ヘッド端部、ライナ、移行部品、又は各燃焼器缶の他の特定の部分に沿った特定の位置に結合することができる。１つの実施例において、特定の周波数不安定性付近の周波数での圧力減衰をもたらすよう構成される共振器は、一般に、移行部品近くの燃焼器缶の出口に配置するのに適切であることが明らかになった。

ここで、図４〜６の詳細を参照すると、図４は、符号Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃ１８が付けられた１８の缶２６を有する多缶燃焼器構成の１つの例示的な実施形態を示している。共振器４００−４１６はそれぞれ、燃焼器缶２６の選択されたものに結合される。図４に示すように、共振器４００はＣ１に結合され、共振器４０２はＣ３に結合され、共振器４０４はＣ５に結合され、共振器４０６はＣ７に結合され、共振器４０８はＣ９に結合され、共振器４１０はＣ１１に結合され、共振器４１２はＣ１３に結合され、共振器４１４はＣ１５に結合され、共振器４１６はＣ１７に結合される。従って、少なくとも１つの共振器は、各隣接するペアの１つの缶だけが共振器を含むように、連続した多缶構成で各交互する缶に結合される。

更に図４を参照すると、このような多缶型燃焼器の１つの例示的な実施形態は、それぞれ共振器４００〜４１６を含み、各々が同じ動作周波数に調整されている。例えば、全てのこのような共振器は、燃焼器缶の第１及び第２の共振周波数の何れかにおいて共振減衰を提供するよう調整することができる。別の実施例において、選択缶２６の第１のグループは、第１の周波数で振動を抑制するよう調整された共振器が装着され、選択された缶の第２のグループに結合された共振器は、第２の周波数での振動を抑制するよう調整される。このような第１及び第２の周波数は、上述のような共振周波数、又は隣接する缶の圧力振動を結合解除するのに効果的な他の何らかの選択された変形形態に相当することができる。第１及び第２の周波数のこれらの特定の実施例は、図５及び６に関して以下で検討する追加の実施形態に等しく適用される。

図５は、符号Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃ１８が付けられた１８の缶２６を有する多缶燃焼器構成の別の例示的な実施形態を示している。共振器５００〜５３２はそれぞれ、各燃焼器缶２６が対応する共振器（Ｒ）を結合させるように設けられる。図５に示すように、共振器５００は缶Ｃ１に結合され、器５０２は缶Ｃ２に結合され、器５０４は缶Ｃ３に結合され、器５０６は缶Ｃ４に結合され、器５０８は缶Ｃ５に結合され、器５１０は缶Ｃ６に結合され、器５１２は缶Ｃ７に結合され、器５１４は缶Ｃ８に結合され、器５１６は缶Ｃ９に結合され、器５１８は缶Ｃ１０に結合され、器５２０は缶Ｃ１１に結合され、器５２２は缶Ｃ１２に結合され、器５２４は缶Ｃ１３に結合され、器５２６は缶Ｃ１４に結合され、器５２８は缶Ｃ１５に結合され、器５３０は缶Ｃ１６に結合され、器５３２は缶Ｃ１７に結合され、更に器５３４は缶Ｃ１８に結合される。従って、少なくとも１つの共振器は、連続する多缶構成であらゆる缶に結合される。

依然として図５を参照すると、このような多缶型燃焼器の１つの例示的な実施形態は、第１の周波数で振動を抑制するよう調整される選択缶２６の第１のグループと、第２の周波数で振動を抑制するよう調整される選択缶２６の第２のグループとを含む。より具体的に実施形態において、第１のグループは、複数の連続的に配列される燃焼器缶の総数の半分に等しい数の缶を含み、連続配列における１つおきの缶に相当する。第２のグループは、複数の連続的に配列される缶の総数の半分に等しい数の缶を含み、連続配列における残りの缶に相当する。このような第１及び第２のグループは、缶２６の連続する配列において、例えば、第１のグループの缶が全て偶数の缶（Ｃ２、Ｃ４、・・・・Ｃ１８）に相当し、第２のグループの缶が全て奇数の缶（Ｃ１、Ｃ３、・・・・Ｃ１７）に相当するよう構成することができる。

図５に示す多缶型燃焼器組立体の別の例示的な実施形態は、共振器５００〜５３４それぞれが、ある範囲の周波数値内で交互する周波数レベルで調整され、全体のグループにおいて各缶の結果として得られる分離周波数の様々なオフセットをもたらすように構成される。例えば、１つの実施形態は、各共振器が、ある範囲内において、最低周波数で始まり、固定又はランダムな増分で最高周波数まで周波数値が増大する、様々な周波数で調整されるように構成することができる。或いは、共振器の増分的調整は、燃焼器缶２６にわたって様々な所定の様式で交互にすることができる。

更に別の実施形態において、全ての共振器が異なる周波数で動作するよう構成されている訳ではないが、上記で既に説明したような単に第１及び第２の共振器周波数よりも多くの周波数に共振器が調整されるように、十分なレベルの多様性が提供される。例えば、連続する缶は、第１、第２、及び第３の周波数で動作するよう調整された共振器にこのシーケンス反復でそれぞれ結合することができる。第４、第５、又は他の周波数もまた、周波数割り当ての周期的、交互的、又は他の所定パターンに導入することができる。

図６に戻ると、本発明の態様による結合解除共振器を有する１８缶型燃焼器構成の更に別の例示的な実施形態が概略的に示される。図６に示すように、共振器６００は缶Ｃ１に結合され、共振器６０２は缶Ｃ４に結合され、共振器６０４は缶Ｃ７に結合され、共振器６０６は缶Ｃ１０に結合され、共振器６０８は缶Ｃ１３に結合され、更に、共振器６１０は缶Ｃ１６に結合される。従って、少なくとも１つの共振器が、連続する多缶配列で２つおきに結合される。１つの実施例において、各共振器６００〜６１０それぞれは、同じ動作周波数に調整される。別の実施例において、異なる共振器に対して、異なる周波数レベルが選択的に選ばれる。

図７及び８は、所与の燃焼器缶に適用される共振器が、本発明の例示的な実施形態に従ってどのように望ましい周波数分離作用を達成するかの影響を示している。詳細には、図７は、３つの状態で動作する所与のタービンエンジン燃焼器缶における周波数に対する擬似圧力スペクトル（０〜１の範囲にわたって正規化される）の例示的なグラフ表現を提供している。図８は、約０．２〜０．６の正規化周波数範囲における同じ圧力対周波数プロットの拡大図を示している。図７及び８は、正常動作条件（すなわち、共振器無し）下での燃焼器缶について例示的な擬似圧力値対周波数の第１のプロット７００を示している。３つの指定圧力振動ピークがプロット７００から明白である。詳細には、ピーク圧力レベルの第１の発生は、０．１２〜０．１４の範囲近傍で示される第１の共振周波数で起こる。ピーク圧力レベルの第２の発生は、０．３４〜０．４の範囲内の第２の共振周波数で起こる。ピーク圧力レベルの第３の発生は、０．８４〜０．８８の範囲内の第３の共振周波数で起こる。本発明の例示的な実施形態は、４００Ｈｚ帯及びそれ以上におけるような高周波不安定性ではなく、第１及び第２の共振周波数での不安定性に対処しようとしている。

更に図７及び８を参照すると、プロット７０２及び７０４は、２つの異なる例示的な共振器組立体が利用されたときの燃焼器缶動作における圧力変化の擬似的影響を示している。このような共振器組立体は、不安定性の第１の共振周波数に整合する周波数で音響圧力減衰をもたらすように設計された例示的なＨｅｌｍｈｏｌｔｚ共振器の第１及び第２の変形形態を含む。プロット７０２に示すように、第１の例示的な共振器は、圧力振動のピーク振幅を減少させるだけでなく、約０．３６から、約０．３及び０．４２の中心周波数を有する２つのピーク周波数にピーク周波数を分割するのにも有効である。プロット７０４に示すように、第２の例示的な共振器は、約０．３６から約０．３２及び０．４６それぞれの２つのピーク周波数にピーク周波数を分割するのに有効である。

ヘルツで測定される所与の周波数での動的不安定性を示す燃焼器缶の１つの実施例において、例示的な共振器は、所与の周波数で当初発生した圧力ピークを、それぞれの新しい周波数で発生する２以上の別個の圧力ピークに分離するのに有効とすることができる。例えば、結果として得られる圧力ピーク（共振器による分離後）の１つは、元の不安定性の共振周波数を下回る約５〜約３０Ｈｚの範囲内の第１の新しい周波数で最大レベルを有することができ、結果として得られた他の圧力ピーク（共振器による分離後）は、元の不安定性の共振周波数を下回る約５〜約３０Ｈｚの範囲内の第２の新しい周波数で最大レベルを有することができる。別の実施例において、第１及び第２の新しい周波数は、元の不安定性の共振周波数をそれぞれ上回り、及び下回る約１５〜２０ヘルツの範囲内にある。

燃焼エンジン（図４〜６に示されるものから選択された本発明の実施形態において達成できるものなど）において複数缶にわたって適用されるこのような周波数分離の例示的な作用を示す擬似データが、図１１〜１２及び１５〜１６に示される。このような作用は、このような周波数分離が利用される（図３に示すような従来の燃焼器エンジンで見ることができるような）ことがない場合の例示的な作用を示す、図９〜１０及び１３〜１４の擬似データと比較される。

図９及び１０は、１８缶燃焼エンジン（図３に示すものと同様）における全ての缶が、所与の周波数（約０．７２の正規化値で示す）のピーク共振周波数を示すときの例示的な擬似圧力値対周波数を示している。正規化周波数レベルは、横座標にわたってプロットされ、正規化圧力振幅は、このようなグラフの縦座標にわたってプロットされる。このようなグラフ、本質的に図１０の拡大図で分かるように、全ての缶は、約０．７２の正規化周波数でピーク圧力振動に基づいて不安定である。

図９及び１０に示す共振周波数で動作する燃焼器エンジン内の複数缶の集合的組立体にわたって示される高ダイナミックスについての可能性は、図１３及び１４で分かる。

図１３は、第１の所与の共振周波数で動作しているときの図３に示すような１８缶ガスタービン燃焼器エンジンの各缶において例示的な圧力レベルのグラフ図を提供する。圧力レベルは、ゼロの中心振幅にて始まる半径方向グラフの中心から外方に測定される。半径方向ライン１３００は約５ｐｓｉの圧力レベルに相当し、半径方向ライン１３１０は約１０ｐｓｉの圧力レベルに相当し、半径方向ライン１３２０は約１５ｐｓｉの圧力レベルに相当する。図１３から分かるように、各缶の振幅は比較的高レベルであり、約１．６の標準偏差（δ）を有し、約１０ｐｓｉの平均振幅（μ）をもたらす。変換の目的で、１ｐｓｉ＝６８９４．７５Ｐａｓｃａｌ（Ｐａ）又はＮ／ｍ²である。

図１４は、図３に示すような１８缶ガスタービン燃焼器エンジンにおける各缶について、各缶の例示的なコヒーレンス値のグラフ図を提供し、コヒーレンスは、第１の共振周波数で動作するときに缶１に対して測定される。図１４にプロットしたようなコヒーレンス値は、以下の式で一般に求められる。

ここで、Ｃ_xy（ｆ）は、第１の缶ｘと第２の缶ｙとの間のコヒーレンス振幅の平方、Ｐ_xy（ｆ）は、ｘ及びｙのクロスパワースペクトル密度、Ｐ_xx（ｆ）はｘのパワースペクトル密度、Ｐ_yy（ｆ）はｙのパワースペクトル密度である。コヒーレンス値は、ゼロの中心値から始まる半径方向グラフの中心から外方に、コヒーレンス０．５を示す第１の半径方向ライン１４００に延び、約１．０のコヒーレンスを示す第２の半径方向ライン１４１０まで測定される。この特定の構成におけるコヒーレンス値は、缶１に対して各缶において１．０で最大となる。高いコヒーレンス値は、隣接する缶にわたってプッシュプッシュトーンにより示される望ましくない燃焼ダイナミックスの可能性が増大したことを示している。

本発明の態様に従って共振器組立体が設けられたときに達成できる比較利点は、図１１〜１２と１５〜１６とに示される。図１１は、図９〜１０に示すピークから周波数がシフトされたときのガスタービン燃焼器エンジンにおける１８の例示的な缶について、擬似的圧力振幅（０〜１の範囲にわたって正規化される）対周波数（同様に０〜１にわたって正規化される）の例示的なグラフ表現である。図１１〜１２の擬似プロットは、実際の共振器作用（例えば、図７及び８で見られる２重ピーク周波数分離）の全ての態様を表示することはできないが、図１１〜１２に示す周波数の一般的性質は、関心のある共振周波数での圧力振幅及びコヒーレンスに結果として生じる作用を調べるための比較データを提供するのに十分である。

図１５及び１６は、図１１及び１２に示す性能曲線を有する１８缶ガスタービン燃焼器エンジンの各缶における例示的な圧力レベルのグラフ図を示す。図１５は、第１の所与の周波数で動作するときの１８缶の各々における周波数レベルの半径方向プロットである。圧力レベルは、ゼロの中心振幅で始まる半径方向グラフの中心から外方に測定される。半径方向ライン１５１０は約０．１ｐｓｉの圧力レベルに相当し、半径方向ライン１５２０は約０．２ｐｓｉの圧力レベルに相当し、半径方向ライン１５３０は約０．３ｐｓｉの圧力レベルに相当し、半径方向ライン１５４０は約０．４ｐｓｉの圧力レベルに相当する。図１５から分かるように、各缶の振幅は、図１３におけるレベルと比べて相対的に低レベルにあり、平均振幅（μ）が約０．１ｐｓｉ、標準偏差（δ）は極めて小さい。

図１４及び１６を比較することによって分かるように、コヒーレンスレベルの改善も達成される。図１６において、コヒーレンス値は、ゼロの中心値から始まる半径方向グラフの中心から外方に、コヒーレンス０．５を示す第１の半径方向ライン１６００に延び、約１．０のコヒーレンスを示す第２の半径方向ライン１６１０まで測定される。この特定の構成におけるコヒーレンス値は、約０．３４の平均コヒーレンス及び約０．３０の標準偏差を示す図１４からの値よりも図１６では遙かに低い。

上記で開示される選択された実施形態の特定の利点は、共振器及び燃焼器缶構成が既存の発電タービンに容易に適合可能とすることができる点である。開示される共振器組立体の選択的配列及び調整は、音響エネルギーの吸収及び隣接する缶間の周波数レベルの変更の両方によって、比較的高い燃焼ダイナミックスを低減するよう構成される。詳細には、多缶型燃焼器において燃焼器缶の間に選択的に分配されるパッシブ共振器を選択的に調整することによって、各缶における不安定性の周波数が隣接缶とは異なるものである動作構成を達成することができる。この結合解除は、プッシュプッシュ及び／又はプッシュプルモードにおける高い燃焼ダイナミックスの可能性を低減する。

本設計はまた、ガスタービンエンジンのエミッション性能も改善することができるといった利点を提供する。詳細には、全燃焼室における動的圧力振動は、許容可能な限度内に制御されると同時に、全燃焼室の総和により生成される総合計エミッション（例えば、窒化酸化物の）を最小限にすることができる。排出ガスのエミッションレベル、動的圧力振動、及び温度は、多くの場合、送給される燃料に応じて変化することを考慮すると、本明細書で開示される技術のダイナミックス低減に従ってより多くの設計スペースを提供することで、エンジン効率全体を更に調整及び最適化（例えば、このようなパラメータの「均等分離」と呼ばれる条件に対して）することができる。

本発明を特定の例示的な実施形態及びその方法に関して詳細に説明してきたが、上述の説明を理解することにより、当業者にはこのような実施形態に対する代替形態、変形形態、及び均等な形態を容易に提示することができることは理解されるであろう。従って、本開示の範囲は、限定ではなく例証の目的のものであり、本発明は、当業者には容易に理解されるように、本発明に対するこのような修正、変形、及び／又は追加を含むことを排除するものではない。

Claims (4)

1. ガスタービン燃焼器エンジン（１０）において燃焼器缶（２６）の間の動的相互作用を抑制する方法であって、
   それぞれ燃焼ガスのストリームを生成し、且つ該燃焼ガスのストリームを集合的に排出するための複数の連続して配置された燃焼器缶（２６）を設ける段階と、
   前記複数の連続して配置された燃焼器缶（２６）における選択された燃焼器缶に結合される複数の共振器を設ける段階と、
   前記複数の連続して配列された燃焼器缶（２６）において隣接する燃焼器缶から排出される前記ストリームの非同相及び同相の動的相互作用の１以上を抑制するように、前記複数の共振器を選択的に調整する段階と
   を含み、
   前記複数の連続して配置された燃焼器缶（２６）が第１のグループと第２のグループとに分けられ、前記複数の共振器を設ける段階が、前記複数の連続して配置された燃焼器缶における第１のグループの燃焼器缶（２６）に結合される第１の複数の共振器と、第２のグループの燃焼器缶（２６）に結合される第２の複数の共振器とを設けることを含んでおり、前記複数の共振器を選択的に調整する段階が、第１の周波数での振動を抑制するように前記第１の複数の共振器を調整するとともに、第１の周波数とは異なる第２の周波数での振動を抑制するよう前記第２の複数の共振器を調整することを含む、
   方法。
2. 前記複数の共振器を設ける段階が、前記複数の連続して配置された燃焼器缶（２６）の全て、１つおき又は２つおきの燃焼器缶に結合される共振器を設けることを含む、請求項１記載の方法。
3. 前記第１のグループが、前記複数の連続して配置された燃焼器缶（２６）の総数の半分に等しい数の燃焼器缶（２６）を含み、前記連続配置において前記燃焼器缶（２６）の１つおきに対応し、前記第２のグループが、前記複数の連続して配置された燃焼器缶（２６）の総数の半分に等しい数の燃焼器缶（２６）を含み、前記連続して配置した燃焼器缶（２６）のうち前記第１のグループではないものに対応する、請求項１又は請求項２記載の方法。
4. 前記複数の燃焼器缶の総数が、６個、１２個、１４個、１８個又は２４個のいずれかである、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。

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