JP5631121B2 - ガスタービンの燃焼装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンの燃焼装置に関する。

特に本発明は、燃焼装置のダンピングシステムに関する。

様々な実施例において、燃焼装置は二段燃焼ガスタービンの第一および／または第二燃焼装置であるかあるいは従来のガスタービン（すなわち二段燃焼ガスタービンではないガスタービン）であってもよい。

単純さと明瞭さを目的とするために、以下において再燃焼装置（すなわち二段燃焼ガスタービンの第二燃焼装置）だけを言及するにとどめる。

ガスタービンにおいて、動作時には（ガスあるいは油のような）燃料の不完全燃焼が原因で、激しい熱音響振動が燃焼室内で起こることがある。

これらの振動は燃焼装置およびタービンの機械設備に激しい機械振動を与え、それにより燃焼装置およびタービンの個々の部品は損傷することがある。

このような振動を吸収するために、燃焼装置はヘルムホルツダンパのようなダンパを備えているのが普通である。

ヘルムホルツダンパは共鳴室から成り、この共鳴室は減衰管を介して燃焼室の内部（もしくは燃焼室を取囲んでいる媒体と接続している。

共鳴室の容積、減衰管の長さおよび減衰管の横断面面積が互いに規定された比率にあると、このようなシステムは特定の周波数帯域で音響振動（すなわち圧力振動）を減衰させることができる。

通常の再燃焼装置は、燃焼室の内部と接続した減衰管を備えたヘルムホルツダンパを一つ備えている。

それにも関わらず、これらのシステムは各装置に付きヘルムホルツダンパをたった一つしか有していないので（従って減衰領域は、減衰管の横断面に対応して、音響振動に曝される装置の領域全体と比べると極めて小さい）、これらのシステムの減衰効果は極めて不十分である。

特許文献１は、燃焼室に引続いて混合管を備えた再燃焼装置を開示しており、混合管はその正面パネルにおいて、孔を備えた音響スクリーンと、音響スクリーンと平行に、衝撃板を備えており、このインピンジ板も孔を有している。

音響スクリーンとインピンジ板は、（音響スクリーンの孔を介して）燃焼室の内部と接続され、かつ（インピンジ板の孔を介して）燃焼室の外部と接続された小室を規定している。

動作時に、（圧縮機からの）空気はインピンジ板の孔を通過し、音響スクリーンに衝突し、燃焼室に入る。これにより音響スクリーンとインピンジ板は冷却される。

さらに、複数のダンパが燃焼装置の各々に接続しているので減衰効果が改善されるように、インピンジ板と音響スクリーンの間の小室は複数のヘルムホルツダンパを規定している。

それにも関わらず、さらにこの減衰システムは複数の欠点を有する。

実際に、動作時に高温ガスは燃焼室からインピンジ板と音響スクリーンの間の小室に入り、再度そこから出て、燃焼室に戻る。

このことが生じると、高温ガスは音響スクリーンの近接した孔を通過して再循環するのが普通である。この現象は吸込み（ingestion）として知られている。

吸込みが生じた場合、再循環する空気流により、音響スクリーンとインピンジ板は極めて短時間で燃えてしまう。

このことはインピンジ板の孔を通って、外部からインピンジ板と音響スクリーンの間の小室に入る空気を増やすことにより防ぐことができるが、燃焼室内の空気は燃焼の役割を果たさず、増えてしまい、その結果ＮＯxの排出が増える。

吸込みの別の欠点は、音響ダンパの同調ずれを引起すことである。

実際に、温度は高温ガスの吸込みの場合に上昇するので、音の速度も減衰装置内で増大し、特定の幾何学配置に関して、効果的な減衰の範囲は目標の振動周波数から移動する。これによりダンパは音響的に役にたたなくなる。

さらに、インピンジ板と音響スクリーンの間の小室内で空気が案内されないと、冷却効率は最大限に利用されない。これにより燃焼室の様々な部品は様々なふうに冷却され、様々な温度で作動する。

加えて、製造が極めて難しい。

米国特許出願公開第２００５／０２２９５８１号明細書

従って本発明の技術的目的は、前記従来技術の問題が無くなる燃焼装置を提供することである。

この技術的目的の範囲内で、本発明の課題は、信頼性があり、特に吸込み問題が無い燃焼装置を提供することである。

本発明の別の課題は、音響ダンパの同調ずれの影響を受けない燃焼装置を提供することである。

本発明の他の課題は、燃焼室の温度が従来の燃焼装置と比べて均一であるように、良好な冷却効果を有した燃焼装置を提供することである。

技術的目的は、これらのおよびさらに別の課題と共に、従属請求項による燃焼装置を備えることにより本発明に従って達せられる。

本発明の別の特徴と長所は、添付した図において限定されない例を用いて例証した、好ましいが非独占的な燃焼装置の実施例の説明から一層明白である。

再燃焼装置の概略図である。 貫通孔により定義された小室を備えた実施例における、本発明による混合管の正面パネルの横断面である。 貫通孔により定義された小室を備えた実施例における、本発明による混合管の正面パネルの横断面である。 非貫通孔により規定された小室を備えた二つの他の実施例における、本発明による混合管の正面パネルの横断面図である。 非貫通孔により規定された小室を備えた二つの他の実施例における、本発明による混合管の正面パネルの横断面図である。 スペーサにより規定された小室を備えた異なる実施例における、本発明による混合管の正面パネルの横断面図である。

図を参照すると、これらには参照符号１により全体として表示した、ガスタービン用の再燃焼装置が示してある。

再燃焼装置の上流には、第一燃焼室と高圧タービンに続く圧縮装置が設けられている（図示していない）。

高圧タービンからは、高温ガスが再燃焼装置１内に供給され、燃料は燃焼されるように噴射される。従って低圧タービンは再燃焼装置１から来る燃焼流を膨張させる（expand）。

特に再燃焼装置１は混合管２とプレナム（plenum）４に挿入された燃焼室３を備えており、圧縮機からの空気Ａが供給される。

混合管２は入口６を通って高温ガスが供給されるように配置されており、かつ渦発生器７（通常四つの渦発生器が混合管の四つの壁から延びており、明瞭さを出すために、四つの渦発生器の一つだけを図１に示してある）と、高温ガスの内部で燃料を噴射するためのノズル８を有しており、かつ混合物を生じさせるランスを備えている。

混合管２の下流で、装置１は混合物が供給され、かつ混合物を燃焼するように配置された燃焼室３を有している。

燃焼装置１は第一の壁と第二の壁１１，１２を備えた部分９を有しており、この部分は
第一の壁と第二の壁１１，１２の間の領域を燃焼装置１の内部へ接続している第一の通路１４と、第一の壁と第二の壁１１，１２の間の領域を燃焼装置１の外部へ接続している第二の通路１５を備えている。

明瞭さを出すために、以下においては、部分９は混合管の正面パネルでの部分として記載されており、部分９が混合管９および／または燃焼室３のいずれかの場所に設けられていることはとにかく明らかである。

第一の壁と第二の壁１１，１２の間には、複数の小室１７が境界を定められており、小室１７は各々、第一の通路１４および一つ（あるいはさらに複数の）第二の通路１５と接続しており、かつヘルムホルツダンパを規定している。

小室１７は第一の壁と第二の壁１１，１２の間に置かれた一つ（あるいは異なる実施例では複数の）第一のプレート１６により規定されているのが好ましい。

本発明の第一の実施例において、小室１７は第一のプレート１６加工された（indented）孔により規定されている。

特に小室１７を規定している孔は、貫通孔であってもよい（図２および３）。

この実施例において、さらに燃焼装置１は、第一のプレート１６と並んで配置されている第二のプレート１６ｂを備えており、この第二のプレートは小室１７の少なくとも一方の側を規定しており、さらに第一および／または第二の通路１４，１５も規定している（図２および３）。

さらに、燃焼装置は第三のプレート１６ｃを備えていてもよく、この第三のプレートは第二のプレート１６ｂに連結しており、かつさらに第一および／または第二の通路１４，１５も規定している（図３）。

特に、第二の通路２を規定するために、第二のプレート１６ｂは貫通孔を有しており、
第三のプレート１６ｃは互いに接続している貫通孔を有している。

別の実施例において、小室１７を規定している孔は第一のプレート１６の非貫通孔である（図５）。

さらに別の実施例において、燃焼装置は複数の第一のプレート１６を有しており、これらの第一のプレートは小室１７を規定するために第一および第二の通路１４，１５の間に置かれたスペーサグリッドを規定している（図６）。

代替えとして、小室１７は第一および／または第二の壁１１，１２内に入り込んだ非貫通孔により規定されている（図４）。

非貫通孔が第一および／または第二の壁１１，１２内に入り込んでいる場合、壁１１，１２の間には、小室１７の片側を規定しているプレート１６が設けられているかあるいは、壁１１，１２が互いに直接連結されるようにプレートは一切設けられていなくてもよい。

第二の通路１５は第一の通路１４の同様に小室１７と同じ側に開口しており、各小室１７は一本の単独の第一の通路１４と一本の単独の第二の通路１５に接続しているのが好ましい。

従来技術で知られているように、各ガスタービンは並んで配置された複数の燃焼装置を有している。

ただ一つの燃焼装置１の小室１７全てと第一の通路１４は、同じ寸法を備えており、これらの寸法は同じガスタービンの他の燃焼装置１のものとは異なっている。すなわち、本発明の様々な実施例において、個々の燃焼装置１の小室１７は異なる寸法を備えている。これにより様々な音響振動（acoustic pulsation）が極めて広い音響帯域で極めて効果的に減衰する。

第一のプレート１６は混合管２の出口においては正面パネルである（すなわち、この壁は混合管と一体で製造されている）。

壁とプレートはすべて、高温ろう付けにより互いに接続している。

さらに、通路１４，１５および小室１７は、穿孔、レーザーカット、ウォータージェット、切削加工等により加工されている。

図２は第一の壁１１と第二の壁１２を備えた本発明の実施例を示しており、これらの壁は壁と共に並んで接続された第一のプレート１６と第二のプレート１６ｂを取囲んでいる。

小室１７は第一のプレート１６内に加工された貫通孔により規定されている。さらに、小室１７の両側は第一の壁１１（プレナム４に面した側）と第二のプレート１６ｂ（燃焼室３に面して接続された側）により規定されている。

小室１７の内部を燃焼室３に接続している第一の通路１４は、第二の壁１２と第二のプレート１６ｂ内で穿孔されている。

第二の通路１５は、第二のプレート１６ｂ内で穿孔され、かつ小室１７内に開口している部分と、第二の壁１２内で切削加工された別の部分と、第二のプレート１６ｂ、プレート１６およびプレナム４に開口している第一の壁１１内で穿孔された他の部分を備えている。

図３は第二のプレート１６ｂに接続している第三のプレート１６ｃを備えた本発明の他の実施例を示す。

この実施例において、小室１７は第一の壁１１と第二のプレート１６ｂにより区画された第一のプレート１６の貫通孔により規定されている。

第一の通路１４は第二および第三のプレート１６ｂ，１６ｃ、ならびに第二の壁１２内で穿孔されている。

第二の通路１５は第二のプレート１６ｂに穿孔された、間隔を置いて設けられた二つの部分と第三のプレート１６ｃに穿孔された部分を備えており、この第三のプレートは第二のプレート１６ｂに穿孔された前記間隔を置いて設けられた二つの部分に接続している。

第二の通路１５が第一のプレート１６と第一の壁１１に穿孔された部分も備えているのは当然である。

小室１７と第一および第二の通路１４，１５は貫通孔により規定され、かつ例えば穿孔、レーザーカット、ウォータージェット等により簡単で迅速な方法で製造できるのでこの実施例は特に有利である。

図４は第一の壁１１に作られ、さらに第一の壁を区画するプレート１６により規定された小室を備えた実施例を示す。

第一の通路１４はプレート１６と第二の壁１２に穿孔されている。

第二の通路１５はプレート１６に穿孔され、かつ第二の壁に切削された部分により互いに接続された、間隔をおいて設けられた二つの部分を有している。この第二の通路はさらに第一の壁１１に穿孔された部分も備えている。

図５は第一のプレート１６に加工された非貫通孔により規定された小室１７を備えた実施例を示す。第一の壁１１は小室１７のプレナム４に面した側を規定する。

第一の通路１４は第一のプレート１６と第二の壁１２において穿孔されており、第二の通路１５は第一のプレート１６において穿孔され、かつ切削加工されており、かつさらに
第一の壁１１において穿孔されている。特に参照符号１９は第一のプレート１６において切削加工された第二の通路１５の一部を示している。

図６は互いに直角に配置されたプレート１６で作られたスペーサグリッドを取囲んでいる第一および第二の壁１１，１２を備えた他の実施例を示しており、複数の四辺形の小室を規定している。

第一の通路１４は第二の壁１２に穿孔されており、第二の通路１５は第二の壁１２に穿孔されかつ切削加工されており、かつさらに（好ましくはプレート間の交差部における）
スペーサにおいて、および第一の壁１１において穿孔された部分を有している。参照符号１９は第二の壁１２において切削加工され、ついで別の外部プレートで覆われた第二の通路１５の部分を示す。

本発明の燃焼装置の作動は、説明されかつ例示したことから明白であり、かつ実質的に下記のものである。

圧縮機からの空気Ａはプレナム４に入り、第二の通路１５を通って小室１７に入る。

第二の通路１５を通過する際、空気は第一および第二の壁１１，１２、さらには第一のプレート１６（そして設けられて際には第二および第三のプレート１６ｂ，１６ｃ）を冷却する。

その後、空気は小室１７から出て行き、第一の通路１４を通過して、燃焼室３に入る。

各小室１７は第一の通路１４と共にヘルムホルツダンパを構成し、このヘルムホルツダンパにより音響振動は減衰する。

各小室１７の容積、各第一の通路１４の長さおよび各第一の通路１４の横断面の面積は、これらが規定するヘルムホルツダンパが特別な帯域における音響振動（すなわち圧力振動）を減衰させるように選定することができる。

本発明の燃焼装置は極めて広い帯域の音響振動を減衰させることができる。というのも、第一の実施例では、各装置は他の装置の寸法とは異なる特定の寸法を有する小室／第一の通路を備えており、第二の実施例では、各装置は異なる寸法の小室／第一の通路を有しているからである。

第二の通路１５の横断面の面積は、この第二の通路を通る空気により第一の壁１１、第二の壁１２およびプレート１６，１６ｂ，１６ｃにおいて均一な冷却が達せられるように選定される。

さらに、第二の通路１５を介して達せられる極めて効率的な冷却効果により、従来の装置に比べて少量の空気が必要とされるにすぎない。これによりＮＯxの排出は減少する。

本発明の装置を使用することにより、吸込み（すなわち、燃焼室３から小室１７への、および燃焼室３に戻る高温ガスの再循環）が起こらないので、高温ガスの吸込みは重大ではない。なぜなら、各小室１７は燃焼室３へこの小室を接続している第一の通路１４をたった一つしか有していないからである。

記載した特徴が互いに独立して規定されてもよいのは当然である。

このようにして考案された燃焼装置は、数多くの変更と変形の余地があり、全ては本発明の構想の範囲内に収まっており、さらに詳細はすべて技術的に同等の要素により置換えることができる。

実際上、使用される材料と寸法は、要求と従来技術により好きなように選ぶことができる。

１ 再燃焼装置
２ 混合管
３ 燃焼室
４ プレナム
６ 入口
７ 渦発生器
８ ノズル
９ 第一および第二の壁を備えた部分
１１ 第一の壁
１２ 第二の壁
１４ 第一の通路
１５ 第二の通路
１６ 第一のプレート
１６ｂ 第二のプレート
１６ｃ 第三のプレート
１７ 小室
１９ １５の部分
Ａ 空気

Claims (15)

1. 第一および第二の壁部（１１，１２）を有する部分（９）を備えた、ガスタービン用の燃焼装置（１）であって、
   前記部分が第一および第二壁部（１１，１２）の間の領域を燃焼装置（１）の内部へ接続する第一通路（１４）と、
   第一および第二壁部（１１，１２）の間の前記領域を燃焼装置（１）の外部へ接続する第二通路（１５）を備えた燃焼装置（１）において、
   第一および第二壁部（１１，１２）の間に、複数の小室（１７）が規定されており、小室の各々が一つの第一の通路（１４）と少なくとも一つの第二の通路（１５）と接続しており、かつヘルムホルツダンパを規定していることを特徴とする燃焼装置。
2. 前記小室（１７）が少なくとも一つの第一のプレート（１６）により規定されており、この第一のプレートが第一および第二壁部（１１，１２）の間に置かれていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置（１）。
3. 小室（１７）が前記第一のプレート（１６）に加工された孔により規定されていることを特徴とする請求項２に記載の燃焼装置（１）。
4. 小室（１７）を規定している前記孔が貫通孔であることを特徴とする請求項３に記載の燃焼装置（１）。
5. 少なくとも一つの第二のプレート（１６ｂ）を備えており、この第二のプレートが小室（１７）の少なくとも一つの側を規定しており、かつさらに前記第一および／または第二の通路（１４，１５）も規定していることを特徴とする請求項４に記載の燃焼装置（１）。
6. 第三のプレート（１６ｃ）を備えており、この第三のプレートが前記第二のプレート（１６ｂ）に連結されており、かつさらに前記第一および／または第二の通路（１４，１５）も規定していることを特徴とする請求項５に記載の燃焼装置（１）。
7. 少なくとも前記第二の通路（１５）を規定するために、第二のプレート（１６ｂ）が貫通孔を有しており、第三のプレート（１６ｃ）が貫通スロットを有していることを特徴とする請求項６に記載の燃焼装置（１）。
8. 小室（１７）を規定している前記孔が非貫通孔であることを特徴とする請求項３に記載の燃焼装置（１）。
9. 前記第一のプレート（１６）がスペーサグリッドを規定しており、このスペーサグリッドが第一および第二壁部（１１，１２）の間に置かれ、小室（１７）を規定していることを特徴とする請求項２に記載の燃焼装置。
10. 前記小室が非貫通孔により規定されており、この非貫通孔が第一の壁（１１）および／または第二の壁（１２）内に加工されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃焼装置。
11. 前記第二の通路（１５）が第一の通路（１４）と、同じ前記小室（１７）の側に開口していることを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
12. 各々の燃焼装置（１）の小室（１７）が同じ寸法を有していることを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
13. 各々の燃焼装置（１）の小室（１７）が異なる寸法を有していることを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
14. 再燃焼装置であり、かつノズル（８）を備えた混合管（２）と、前記混合管の下流部と、前記混合管から供給されるように配置された燃焼室（３）を有しており、前記部分（９）が混合管部分および／または燃焼室部分であることを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
15. 小室（１７）が各々、単一の第二の通路（１５）に接続していることを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。