JP5865969B2 - ガスタービンにおける燃焼振動減衰のためのダンパ - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンに関し、特にガスタービンにおける燃焼振動減衰のためのダンパに関する。

エンジン運転の間、例えば燃焼室内の燃焼率変動により、燃焼室において、望ましくない周波数での音響的圧力振動が発生し得る。このような圧力振動は燃焼室の構成部材を損傷する恐れがある。このような損傷を回避するために、１つ以上の音響的減衰装置をガスタービンの燃焼室に付随させることができる。一般的に使用される音響的減衰装置の１つのタイプはヘルムホルツ共振器である。ヘルムホルツ共振器の様々な例は、米国特許第６５３０２２１号明細書および米国特許第７０８０５１４号明細書に開示されている。

ガスタービンエンジンの燃焼室において使用するためのヘルムホルツ共振器は、欧州特許第１８６２７３９号明細書に開示されており、この場合、共振器は、共振器キャビティと、共振器ネックとを有する。共振器ネックは、円形の横断面を有しており、管壁に形成された、周方向に間隔を置いて配置された複数の冷却穴を有する。これにより、使用時には、共振器は、穴の配列を通過する冷却空気によってパージされる。パージ空気は、共振器キャビティを、熱損傷が生じない温度に保ち、有利には、ネックにおいて空気の流れを生ぜしめ、この空気は、キャビティから燃焼室へ移動し、ネックを冷却するとともに、高温の燃焼ガスの吸込みを回避する。

欧州特許第２２９５８６４号明細書にはガスタービン用の燃焼装置が開示されており、この燃焼装置は、第１および第２の壁部の間のゾーンを燃焼装置の内側に接続する第１の通路と、第１および第２の壁部の間の前記ゾーンを燃焼装置の外側に接続する第２の通路とが設けられた、第１および第２の壁部が設けられた部分を有しており、第１および第２の壁部の間には、複数のチャンバが画成されており、各チャンバは、１つの第１の通路と、少なくとも１つの第２の通路とに接続されており、ヘルムホルツダンパを形成しており、チャンバは、第１および第２の壁部の間に介在させられた少なくとも１つの第１のプレートによって画成されており、チャンバは、前記第１のプレートに凹まされた穴によって形成されている。

欧州特許第０８９２２１６号明細書は、壁部の間のゾーンを燃焼装置の内側に接続する第１の通路と、壁部の間のゾーンを燃焼装置の外側に接続する第２の通路とを備えた、第１および第２の壁部を有する燃焼装置を開示している。欧州特許第０８９２２１６号明細書は、第１および第２の通路に接続されたチャンバ（ハニカム構造体）を形成するための、第１および第２の壁部の間のプレートも開示している。

実際には、燃焼室の作動中、燃焼室から、共振器キャビティと燃焼室との間のネックに、高温ガスが進入し、再び流出し、燃焼室内へ戻ってくる。これは、高温ガス吸込み（ＨＧＩ）と呼ばれる。通常、これが生じると、高温ガスが共振器キャビティ内の温度を変化させることがあり、それによってヘルムホルツ共振器の共振周波数が変化させられる。すなわち、ダンパの減衰性能が低下させられる。さらに、高温ガス吸込みは、通常は通例の材料から形成されている共振器の構成部材に深刻な熱疲労を生ぜしめることがある。高温ガス吸込みは、慣用的に、高温ガスの吸込みを抑制するためにネックをパージするための十分に大きな冷却空気を使用することによって防止される。しかしながら、冷却空気の体積は、減衰性能の低下、およびそれによって生ぜしめられるＮＯｘのエミッション増大により、著しく大きくなるように選択することはできない。

大きな開発がこの分野においてなされてきたにもかかわらず、高温ガス吸込みを制限し、さらに費用効率よく形成され得る、燃焼振動減衰のためのダンパの必要性がいまだに存在する。

米国特許第６５３０２２１号明細書 米国特許第７０８０５１４号明細書 欧州特許第１８６２７３９号明細書 欧州特許第２２９５８６４号明細書 欧州特許第０８９２２１６号明細書

本発明の課題は、上記の少なくとも１つの態様を満たしてよい燃焼振動減衰のためのダンパを提供することである。

ガスタービン用の燃焼振動減衰のためのダンパが、本発明の一実施形態例によれば提案され、このダンパは、箱形または円筒形の共振器キャビティと、共振器キャビティおよび燃焼室に流れ連通したネックとを有し、ネックの長さＬneckは、燃焼室から吸い込まれた高温ガスがネックにおいて到達する最大距離ｌmaxと同じであるかまたはそれよりも大きく、最大距離ｌmaxは、以下の等式：
に従って決定され、
ここで、Uはネックにおける平均流速を表し、
は燃焼室における圧力振幅を表し、ρは流れの密度を表し、ξは圧力損失係数を表す。

ダンパは燃焼室と相互作用するので、本発明の別の課題は、ガスタービン用の燃焼振動減衰のためのシステムであって、このシステムは、ダンパと、燃焼室とを有し、このダンパは、箱形または円筒形の共振器キャビティと、共振器キャビティおよび燃焼室に流れ連通したネックとを有し、ネックの長さＬneckは、燃焼室から吸い込まれた高温ガスがネックにおいて到達する最大距離ｌmaxと同じであるかまたはそれよりも大きく、最大距離ｌmaxは、以下の等式：
に従って決定され、
ここで、燃焼器の作動中、Uはネックにおける平均流速を表し、
は燃焼室における圧力振幅を表し、ρは流れの密度を表し、ξは圧力損失係数を表す、システムを提供することである。

本発明の１つの可能な実施の形態によれば、ネックの長さＬneckは、最大距離ｌmaxの１．１〜２．０倍に等しい。

本発明の１つの可能な実施の形態によれば、ネックの長さＬneckは、最大距離ｌmaxの１．４〜１．８倍に等しい。

本発明の１つの可能な実施の形態によれば、ネックの長さＬneckは、最大距離ｌmaxの１．５倍に等しい。

本発明の１つの可能な実施の形態によれば、ダンパは、さらに、共振器キャビティを複数の部分に分離するために共振器キャビティに配置された１つ以上のスペーサと、共振器キャビティに配置された入口管とを有しており、入口管の有効直径dは、以下の等式：
に従って決定され、
ここで、Δpcは冷却空気供給源の圧力であり、Dはネックの有効直径を表す。

本発明の１つの可能な実施の形態によれば、ネックは、第１のネック部分と、第２のネック部分とからなり、第１のネック部分は、燃焼室に近い方にありかつ耐熱性材料から形成されており、第２のネック部分は燃焼室から遠い方にあり、第１のネック部分の長さは、最大距離ｌmaxと等しいかまたはそれよりも大きくなるように寸法決めされている。

本発明の１つの可能な実施の形態によれば、第１のネック部分は、最大距離ｌmaxの１．１〜２．０倍に等しくなるように寸法決めされている。

本発明の１つの可能な実施の形態によれば、第１のネック部分は、最大距離ｌmaxの１．４〜１．８倍に等しくなるように寸法決めされている。

本発明の１つの可能な実施の形態によれば、第１のネック部分は、最大距離ｌmaxの１．５倍に等しくなるように寸法決めされている。

本発明の解決手段によれば、燃焼振動を減衰させるために使用されるダンパは、共振器キャビティと燃焼室とを接続するネックの寸法を独特に決定することによって、通常運転中の高温ガス吸い込みを防止し得る。さらに、ダンパは、費用効率よく製造され得る。

本発明の課題、利点およびその他の特徴は、添付の図面に関連した、例示目的のみで提供された本発明の好適な実施の形態の以下の非制限的な説明を読むことによりさらに明らかになるであろう。図面を通じて同じ参照符号は、同じ要素を指すために使用され得る。

本発明の一実施形態例によるダンパの概略図を示している。 時間に関してネックにおける流速を示す概略的なグラフである。 本発明の別の実施形態例によるダンパの概略図を示している。 本開示の典型的な実施の形態によるダンパを有するガスタービンのブロック図を示している。

図１は、本発明の一実施形態例によるダンパ１００の概略図を示している。ダンパ１００は、その最も単純な態様において、箱形または円筒形の共振器キャビティ１１０と、ネック１２０とを有する。ネック１２０は、ガスタービン（図示せず）の燃焼室２００と、共振器キャビティ１１０とに流れ連通している。本発明の実施形態例によれば、ネック１２０の横断面は、円形、正方形、矩形、楕円形などのあらゆる形状であってよい。ただし円形であることが好ましい。冷却空気を取り入れるために共振器キャビティ１１０には入口管１５０が配置されている。燃焼振動減衰に関する全ての構成部材が図１に示されているわけではないことが当業者によって理解されるべきである。分かりやすくするために必要な省略および単純化がなされている。

燃焼の変動により、燃焼室２００からの高温ガスは動的にネック１２０に進入したり、ネック１２０から出たりする。本発明者の発見によれば、ネック１２０における流速u(t)は、Uとして表されてよい、平均流速による重ね合わせと、
として表されてよいシヌソイド成分とによって表されてよく、この場合、等式１：
が得られる。

図２は、時間に関してネック１２０における流速u(t)を示す概略的なグラフである。図２に示したように、流速U(t)はt1とt2とにおいて方向を変化させている。これは、縦軸の負の方向が、燃焼室２００から共振器キャビティ１１０へ向かう方向であると仮定すると、燃焼室２００から吸い込まれた高温ガスが時間t1〜t2の間にネック１２０に進入することを意味する。高温ガスがネック２００において到達する最大距離ｌmaxは等式２：
によって表されてよい。

本発明者の発見によれば、ネック１２０における流速のシヌソイド成分
は、共振周波数におけるダンパ１００のインピーダンスZ(ω)を介した燃焼室２００における圧力振幅
に関連しており、これは、等式３：
によって表されてよい。

さらに、共振周波数におけるダンパ１００のインピーダンスZ(ω)は、等式４：
によって近似することができ、
ここで、ρは流れの密度を表し、ξは圧力損失係数を表す。

等式（３）および（４）に基づき、等式（２）は等式（５）：
になるように変換されてもよく、
ここで、振動周波数から得られる角速度ω、平均流速U、圧力振幅
、流れの密度ρ、圧力損失係数ξなどの全ての関連するパラメータは、ダンパおよび燃焼室の任意のジオメトリf、特にネック入口および出口の任意のジオメトリのために、それ自体当業者に公知のアルゴリズムによって検出されかつ導き出されてよい。例えば、加えて、燃焼室２００の寸法がダンパ１１０よりも著しく大きいことにより、すなわち、単純化するために無限であると考えることができることにより、損失係数の計算は簡単である。

一実施形態例によれば、ネック１２０の長さＬneckは、ダンパ１００の共振周波数を変化させるために、吸い込まれた高温ガスが共振器キャビティ１１０に進入するのを防止するために、最大距離ｌmaxと等しいかまたはそれよりも大きくなるように、すなわちＬneck≧ｌmaxになるように、選択されてよい。例えば、長さＬneckは、最大距離ｌmaxの１．１〜２．０倍、すなわち、Ｌneck＝（１．１〜２．０）ｌmaxであってよく、特に、長さＬneckは、最大距離ｌmaxの１．４〜１．８倍、すなわちＬneck＝（１．４〜１．８）ｌmaxであってよい。特に、Ｌneck＝１．１ｌmax、Ｌneck＝１．２ｌmax、Ｌneck＝１．４ｌmax、Ｌneck＝１．５ｌmax、Ｌneck＝１．８ｌmaxまたはＬneck＝２ｌmaxである。この場合、ダンパ１００のネック１２０は、燃焼室２００の高温に曝されたときにダンパ１００の適切な作動を保証するために、Haynes 230、Haynes 282、Hasteloy X、またはIxoneなどの耐熱性材料によって製造されてよい。

これに代えて、ネック１２０は２つの部分から成ってもよく、この場合、燃焼室２００に近い方の第１のネック部分は耐熱性材料から形成され、燃焼室２００から遠い方のまたは共振器キャビティ１１０に近い方の第２のネック部分は、ヘルムホルツダンパ用に使用される通例の材料から形成される。この構造において、第１のネック部分の長さは、耐熱性材料の高いコストにより、費用効率よいダンパ１００を製造するため、最大距離ｌmaxと等しいかまたはそれよりも大きくなるように寸法決めされている。上述のように、第１のネック部分の長さは、最大距離ｌmaxの１．１〜２．０倍、特に最大距離ｌmaxの１．４〜１．８倍であってよい。例えば、第１のネック部分の長さは、最大距離ｌmaxの１．１、１．２、１．４、１．５、１．６、１．８または２．０倍に等しくてよい。

図３は、本発明による別の実施形態例のダンパの概略図を示している。図１に示したようなダンパ１００の構造に基づき、図３に示されたダンパ１００は、さらに、共振器キャビティ１１０を第１の部分１１２と第２の部分１１４とに分離するために共振器キャビティ１１０に可動に配置されたスペーサ１３０を有し、この場合、第１の部分１１２は、共振器体積として機能するために燃焼室２００に近い方にあり、第２の部分１１４は、冷却空気供給源に接続されるために燃焼室２００から遠い方にある。ロッド１４０はスペーサ１３０に取り付けられており、このスペーサ１３０は、外部制御機構（図示せず）によって第１及び第２の部分１１２，１１４の体積を調節するために用いることができる。この場合、冷却空気を取り入れ、第１の部分１１２の調節を容易にするために、共振器キャビティ１１０に入口管１５０が配置されており、振動減衰の機能を果たしかつ燃焼室２００と流れ連通した第１の部分１１２に冷却空気を取り入れるために、スペーサ１３０に開口１６０が配置されている。本発明の実施形態例によれば、入口管１５０の横断面は、円形、正方形、矩形、楕円形などのあらゆる形状であってよい。好適な実施の形態では、それは円形である。一実施形態例によれば、入口管１５０の有効直径ｄは、等式６：
にしたがって決定されてよく、
ここで、Δpcは冷却空気供給源の圧力であり、Dはネック１２０の有効直径を表す。

必要であれば、共振器キャビティ１１０を複数の部分に分離するために共振器キャビティ１１０内に１つ以上のスペーサ１３０が、可動にまたは定置に、配置されてよいことに留意すべきである。このような場合、本発明の別の特徴も当てはまる。

図１に関して説明した特徴は、図３に示したようなダンパ１００にも等しく当てはまり、またはその逆も同様であることが理解されるべきである。

図４は、本開示の典型的な実施の形態によるダンパを有するガスタービン５００のブロック図を示している。ガスタービン２は、圧縮機３００と、燃焼室２００と、タービン４００とを備える。

本発明の解決手段によれば、燃焼振動を減衰させるために使用されるダンパは、共振器キャビティと燃焼室とを接続するネックの寸法を独特に決定することによって、通常運転中の高温ガス吸込みを防止してよい。さらに、ダンパは、費用効率よく製造されてよい。

本発明は、限定された数の実施の形態のみに関連して詳しく説明されているが、発明はこのような開示された実施の形態に限定されないことが容易に理解されるべきである。むしろ、発明は、これまでに説明されていないが、発明の思想および範囲と一致するあらゆる数の変化、変更、代用または均等配列を含むように修正することができる。加えて、発明の様々な実施の形態が説明されているが、発明の複数の態様は、説明された実施の形態のうちのいくつかのみを含んでいてもよいことが理解されるべきである。したがって、発明は、前記説明によって限定されるのではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定されるということが分かる。

１００ ダンパ
１１０ 共振器キャビティ
１１２ 第１の部分
１１４ 第２の部分
１２０ ネック
１３０ スペーサ
１４０ ロッド
１５０ 入口管
１６０ 開口
２００ 燃焼室
３００ 圧縮機
４００ タービン
５００ ガスタービン

Claims (11)

1. ガスタービン用の燃焼振動減衰のためのシステムであって、ダンパと、燃焼室とを備え、前記ダンパは、箱形または円筒形の共振器キャビティと、該共振器キャビティおよび前記燃焼室に流れ連通したネックとを有する、システムにおいて、前記ネックの長さＬneckは、前記燃焼室から吸い込まれた高温ガスが前記ネックにおいて到達する最大距離ｌmaxと同じであるかまたはそれよりも大きく、前記最大距離ｌmaxは、以下の等式：
   に従って決定され、
   ここで、Uはネックにおける平均流速を表し、
   は燃焼室における圧力振幅を表し、ρは流れの密度を表し、ξは圧力損失係数を表すことを特徴とする、ガスタービン用の燃焼振動減衰のためのシステム。
2. 前記ネックの長さＬneckが、前記最大距離ｌmaxの１．１〜２．０倍に等しい、請求項１記載のシステム。
3. 前記ネックの長さＬneckが、前記最大距離ｌmaxの１．４〜１．８倍に等しい、請求項１または２記載のシステム。
4. 前記ネックの長さＬneckが、前記最大距離ｌmaxの１．５倍に等しい、請求項１から３までのいずれか１項記載のシステム。
5. 前記ダンパは、さらに、前記共振器キャビティを複数の部分に分離するために前記共振器キャビティに配置された１つ以上のスペーサと、前記共振器キャビティに配置された入口管とを有しており、該入口管の有効直径dは、以下の等式：
   に従って決定され、
   ここで、Δpcは冷却空気供給源の圧力であり、Dはネックの有効直径を表す、請求項１から４までのいずれか１項記載のシステム。
6. 前記ネックは、第１のネック部分と、第２のネック部分とから成り、前記第１のネック部分は、前記燃焼室に近い方にありかつ耐熱性材料から形成されており、前記第２のネック部分は前記燃焼室から遠い方にあり、前記第１のネック部分の長さは、前記最大距離ｌmaxと等しいかまたはそれよりも大きくなるように寸法決めされている、請求項１から５までのいずれか１項記載のシステム。
7. 前記第１のネック部分の長さは、前記最大距離ｌmaxの１．１〜２．０倍に等しくなるように寸法決めされている、請求項６記載のシステム。
8. 前記第１のネック部分の長さは、前記最大距離ｌmaxの１．４〜１．８倍に等しくなるように寸法決めされている、請求項６記載のシステム。
9. 前記第１のネック部分の長さは、前記最大距離ｌmaxの１．５倍に等しくなるように寸法決めされている、請求項６項記載のシステム。
10. 前記入口管の横断面は、円形、正方形、矩形または楕円形として成形されている、請求項５項記載のシステム。
11. 前記ネックの横断面は、円形、方形、矩形または楕円形として成形されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載のシステム。