JP5715409B2 - 燃焼器ダイナミックスを軽減する方法及び装置 - Google Patents

Description

本明細書に開示した主題は、総括的には燃焼器に関する。より具体的には、本主題の開示は、燃焼器における燃焼ダイナミックスの軽減に関する。

ガスタービンエミッションに対する要求が益々厳しくなってきているので、そのような要求を満たす１つの解決方法は、従来型の拡散火炎燃焼器から、完全予混合作動モードの間に希薄燃料及び空気混合気（ほぼ０．５８〜０．６５の等量比を有する）を利用して例えばＮＯｘ及びＣＯのエミッションを低減するような燃焼器に移行することである。これらの燃焼器は、当技術分野では乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）、乾式低エミッション（ＤＬＥ）又は希薄予混合（ＬＰＭ）燃焼システムとして公知である。そのような燃焼器は一般的に、キャップ空洞としても知られているバレル内に収容された複数燃料ノズルを含む。

これらの燃焼器は、そのような希薄燃料／空気比で作動するので、速度変動における小さな変化により、質量流量及び燃料空気変動の大きな変化が生じる可能性がある。これらの変動は、キャップ空洞内における発熱量の大きな変動及び高い圧力変動を引き起こす。燃料／空気変動の相互作用、渦−火炎相互作用及び発熱の非定常性により、燃焼システムにおける動的（ダイナミック）圧力変動を引き起こすフィードバック・ループメカニズムを生じる。この圧力変動の現象は、熱−音響又は燃焼−ダイナミック不安定性つまり平易に言うと燃焼ダイナミックスと呼ばれる。高レベルの燃焼ダイナミックスは、燃焼器の作動エンベロープを制限し、このことは、エミッションの低減及び／又は出力に限界を生じることになる。さらに、燃焼ダイナミックスは、ハードウェア寿命を短縮させかつ燃焼器構成要素に損傷を生じさせて、それら構成要素の補修及び／又は交換のための燃焼器運転停止を引き起こす。

米国特許第６９２３００２号明細書

本発明の１つの態様によると、燃焼器は、密閉燃焼器キャップボリュームと、燃焼器キャップボリュームを貫通して延びる複数の燃料ノズルとを含む。少なくとも１つのバッフルプレートが、燃焼器キャップボリューム内に設置されて該燃焼器キャップボリュームを少なくとも２つのボリュームに分割する。複数のフィードチューブが、流れチャネルから内向きに少なくとも２つのボリュームの少なくとも１つ内に延びかつ燃焼器の熱音響ダイナミックスを低減するように構成される。

本発明の別の態様によると、燃焼器用の熱音響ダンパは、該燃焼器の流れチャネルと流れ連通状態になった少なくとも１つの共振器を含む。共振器は密閉ボリュームと、密閉ボリューム内に配置されて該密閉ボリュームを少なくとも２つのボリュームに分割した少なくとも１つのバッフルプレートとを含む。複数のフィードチューブが、流れチャネルから内向きに少なくとも２つのボリュームの少なくとも１つ内に延びかつ燃焼器の熱音響ダイナミックスを低減するように構成される。

本発明のさらに別の態様によると、熱音響燃焼器ダイナミックスを低減する方法は、燃焼器の流れチャネルと流れ連通状態で少なくとも１つの共振器を設置するステップを含む。共振器は、密閉ボリュームと、密閉ボリューム内に設置されて該密閉ボリュームを少なくとも２つのボリュームに分割した少なくとも１つのバッフルプレートと、流れチャネルから内向きに少なくとも２つのボリュームの少なくとも１つ内に延びる複数のフィードチューブとを含む。本方法はさらに、流れチャネルを通してかつ複数のフィードチューブの少なくとも１つのフィードチューブの開放端部を横切って流体流れを導くステップと、共振器の共振振動数を励振させ、それによって熱音響燃焼器ダイナミックスを低減するステップとを含む。

これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させて行った以下の説明から一層明らかになるであろう。

本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面と関連させて行った以下の詳細な説明から明らかである。

燃焼器の実施形態の断面図。 燃焼器の実施形態の別の断面図。 図２の燃焼器の概略断面図。 燃焼器の別の実施形態の断面図。

詳細な説明は、図面を参照しながら実施例によって、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。

図１に示しているのは、燃焼器１０の実施形態である。燃焼器は、燃焼器ライナ１６に連結された上流端部のキャップ組立体１２を含む。キャップ組立体１２は、幾つかの実施形態ではその形状がほぼ管状であるキャップバレル１８を含む。バックプレート２０が、キャップバレル１８に固定されかつキャップ組立体１２の上流側限界を定める。同様に、エフュージョンプレート２２が、キャップバレル１８に固定されかつキャップ組立体１２の下流側限界を定める。図１に示す実施形態では、バックプレート２０及びエフュージョンプレート２２は、その形状が円形であるが、バックプレート２０及びエフュージョンプレート２２のその他の構成も本開示の技術的範囲内であることを意図している。キャップバレル１８、バックプレート２０及びエフュージョンプレート２２は、それらの間にキャップボリューム２４を形成する。燃焼器１０内には、複数の燃料ノズル２６が配置される。この図示した実施形態では、複数の燃料ノズル２６は、燃焼器１０の中心部に設置された二次燃料ノズル２６の周りに円形パターンとして配置された複数の一次燃料ノズル２６を含む。各燃料ノズル２６は、バーナチューブ２８によって囲まれかつキャップ組立体１２のバックプレート２０における開口部３０を貫通して該キャップ組立体１２内に延びる。各燃料ノズル２６を囲むバーナチューブ２８は、エフュージョンプレート２２まで延びる。

次に図２を参照すると、バッフルプレート３２が、バックプレート２０及びエフュージョンプレート２２間においてキャップボリューム２４内に配置される。バッフルプレート３２は、キャップボリューム２４を完全に横切って延びて、該キャップボリューム２４を該バッフルプレート３２及びエフュージョンプレート２２間のバッフルボリューム３４と該バッフルプレート３２及びバックプレート２０間の別個のボリューム３６とに分割する。複数のフィードチューブ３８が、バッフルボリューム３４からキャップバレル１８を貫通して、該キャップバレル１８及び燃焼器流れスリーブ４２によって形成された流れチャネル４０内に延びる。幾つかの実施形態では、フィードチューブ３８は、その断面が円形であるが、その他の断面形状も本発明の技術的範囲内にあることを意図していることを理解されたい。

図３に示すように、バッフルボリューム３４は、複数のフィードチューブ３８と共に、それによって該フィードチューブ３８位置における音響圧力及び速度が変更されかつ全体システム音響変化を生じさせる音響ダンパとして作用する。それを通る定常流れがない状態で流れチャネル４０に連結された共振器は、複数のフィードチューブ３８の断面積（Ｓ）、複数のフィードチューブ３８の長さ（Ｌ）及びバッフルボリューム３４のボリューム（Ｖ）によって決定される振動数（ｆ）で共鳴することができる。振動数は、以下の等式（１）で与えられる。

ここで、“ｃ”は音の速度である。所望の振動数は、バッフルプレート３２の位置を変化させることによって、従ってバッフルボリューム３４のボリューム（Ｖ）を増大させるか又は減少させることによって、並びに／或いは複数のフィードチューブ３８の長さ（Ｌ）又は断面積（Ｓ）を変化させることによって達成することができる。しかしながら、その中に向けて定常流れが存在するバッフルボリューム３４は、フィードチューブ３８を通る定常流れが存在する場合のように必ずしも共振器としては作用しないが、熱音響ダンパとして成功裏に作用する。燃焼器１０の固有振動数を軽減するためには、整合振動数を選択しかつＶ、Ｌ及びＳの特性を所望の振動数が得られるように設定する。所望のＬを達成するためには、図２に示すように、フィードチューブ３８は、バッフルボリューム３４内まで延ばすことができる。燃焼器１０の作動時に、選択振動数を効果的に調整し、従ってその固有振動数に関連する燃焼ダイナミックス問題が発生するのを防止することができる。

幾つかの実施形態では、複数のフィードチューブ３８は、キャップバレル１８の周りに円周方向に等間隔を置いて配置される。しかしながら、他の実施形態では、複数のフィードチューブ３８の間隔を円周方向に変化させて、燃焼器１０を非対称に調整することが望ましい場合もある。

幾つかの実施形態では、燃焼器１０の１つよりも多い固有振動数を調整することが望ましい場合もある。図４を参照すると、２つの固有振動数の調整は、キャップバレル１８を貫通して別個のボリューム３６から流れチャネル４０内に延びる複数のフィードチューブ３８を設け、従って別個のボリューム３６を利用した第２の共振器を形成することによって達成される。バッフルボリューム３４を利用した共振器と同様に、特定のＬ及びＳは。所望の共振振動数ｆを生じるように選択することができる。図４には、共振器及び単一のバッフルプレート３２を示しているが、キャップボリューム２４内には、付加的なバッフルプレート３２を設置し、従ってその中に付加的ボリュームを形成することができることを理解されたい。加的ボリューム内に複数のフィードチューブ３８を据付けることによって、燃焼器１０のより多くの固有振動数を調整することができる。

バッフルプレート３２及び複数のフィードチューブ３８を利用することにより、流れチャネル４０を通る流れに影響を与えることなく、燃焼ダイナミックスを効果的に軽減することができる。さらに、バッフルプレート３２は、他の燃焼器１０構成要素を修正する必要性なしに所望の位置において既存の燃焼器１０内に据付けることができ、またバッフルプレートの位置は、特定の燃焼器１０固有振動数に対してカスタマイズ可能である。

限られた数の実施形態に関してのみ本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。

１０ 燃焼器
１２ キャップ組立体
１４ 上流端部
１６ 燃焼器ライナ
１８ キャップバレル
２０ バックプレート
２２ エフュージョンプレート
２４ キャップボリューム
２６ 燃料ノズル
２８ バーナチューブ
３０ 開口部
３２ バッフルプレート
３４ バッフルボリューム
３６ 別個のボリューム
３８ フィードチューブ
４０ 流れチャネル
４２ 流れスリーブ

Claims (10)

1. 燃焼器（１０）であって、
   密閉燃焼器キャップボリューム（２４）と、
   前記燃焼器キャップボリューム（２４）を貫通して延びる複数の燃料ノズル（２６）と、
   前記燃焼器キャップボリューム内に配置されて該燃焼器キャップボリューム（２４）を少なくとも２つのボリュームに分割した少なくとも１つのバッフルプレート（３２）と、
   流れチャネルから内向きに前記少なくとも２つのボリュームの少なくとも１つ内に延びかつ該燃焼器（１０）の熱音響ダイナミックスを低減するように構成された複数のフィードチューブ（３８）と、を含む、
   燃焼器（１０）。
2. 前記複数のフィードチューブ（３８）及び前記少なくとも２つのボリュームの少なくとも１つが、熱音響ダンパとして作用する、請求項１記載の燃焼器（１０）。
3. 前記熱音響ダンパの共振器振動数が、該燃焼器（１０）の固有振動数を打消す、請求項２記載の燃焼器（１０）。
4. 前記共振器振動数が、前記少なくとも２つのボリューム、前記複数のフィードチューブ（３８）の長さ及び前記複数のフィードチューブ（３８）の断面積の寸法の１つ又はそれ以上に応じて決まる、請求項３記載の燃焼器（１０）。
5. 前記少なくとも１つのバッフルプレート（３２）の位置が、打消すべき該燃焼器（１０）の固有振動数によって決定される、請求項１記載の燃焼器（１０）。
6. 燃焼器（１０）の熱音響ダイナミックスを低減する方法であって、
   密閉ボリューム、前記密閉ボリューム内に配置されて該密閉ボリューム（２４）を少なくとも２つのボリュームに分割した少なくとも１つのバッフルプレート（３２）、及び流れチャネルから内向きに前記少なくとも２つのボリュームの少なくとも１つ内に延びる複数のフィードチューブ（３８）を備えた少なくとも１つの熱音響ダンパを前記燃焼器（１０）の流れチャネルと流れ連通状態で配置するステップと、
   前記流れチャネルを通してかつ前記複数のフィードチューブ（３８）の少なくとも１つのフィードチューブの開放端部を横切って流体流れを導くステップと、
   前記少なくとも１つの熱音響ダンパの共振振動数を励振させ、それによって前記熱音響ダイナミックスを低減するステップと、を含む、
   方法。
7. 前記共振振動数により前記燃焼器（１０）の固有振動数を打消すステップを含む、請求項６記載の方法。
8. 前記少なくとも２つのボリューム、前記複数のフィードチューブ（３８）の長さ及び前記複数のフィードチューブ（３８）の断面積の寸法の１つ又はそれ以上を調整することによって前記共振振動数を決定するステップを含む、請求項６記載の方法。
9. 前記少なくとも２つのボリュームの各ボリューム内に前記複数のフィードチューブ（３８）を配置するステップを含む、請求項６記載の方法。
10. 前記少なくとも２つのボリュームの各ボリュームが、前記燃焼器（１０）の異なる固有振動数を打消す共振器として作用する、請求項９記載の方法。