JP5943560B2 - ヘルムホルツ減衰器およびヘルムホルツ減衰器の共鳴周波数の調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、ヘルムホルツ減衰器と、ヘルムホルツ減衰器の共鳴周波数の調整方法とに関する。特に、本発明は、ガスタービンの希薄予混合低公害燃焼システムに接続するヘルムホルツ減衰器に関する。

ガスタービンは、タービン内で膨張する高圧の燃焼ガスを生成するために、燃料が噴射され、空気流れに混合され、かつ燃焼される１つ以上の燃焼チャンバを備えることが知られている。

運転中に圧力振動が発生することがあり、これは、燃焼チャンバに機械的な損傷をもたらし、運転態勢を制限する可能性がある。

このため、燃焼チャンバには、通常、４分の１波長管、ヘルムホルツ減衰器または音響スクリーンのような減衰装置を設けて、この圧力振動を減衰させる。

図１を参照すると、従来型のヘルムホルツ減衰器１が、レゾネータ容積を画定するエンクロージャ２と、燃焼チャンバに接続されるネック部３とを備えている。燃焼チャンバ内において、燃焼が行われ、かつ場合によって、減衰されるべき圧力振動が生起する（符号４は燃焼チャンバの壁面を示す）。

ヘルムホルツ減衰器の共鳴周波数（すなわち被減衰周波数）はレゾネータ容積とネック部との幾何学的形状によって変化するが、この共鳴周波数は、燃焼チャンバにおいて発生する圧力振動の周波数に合致しなければならない。

しかし、圧力振動の周波数はガスタービンごとに若干変化する可能性があり、さらに、同じガスタービンにおいても、この周波数は、運転中に僅かに変化することがあり得る（例えば、部分負荷、ベース負荷、条件移行時）。

特に、（ヘルムホルツ減衰器が通常用いられる）低周波数領域においては、ヘルムホルツ減衰器の減衰周波数の帯域幅が非常に狭く、その結果、燃焼チャンバにおいて発生する圧力振動の周波数の変化によって、燃焼チャンバに接続され、予め固定された設計共鳴周波数を有するヘルムホルツ減衰器が全く無用のものになってしまう可能性がある。

従って、ヘルムホルツ減衰器の共鳴周波数の調整が必要である。

（燃焼チャンバにおいて発生する圧力振動の周波数に追随するように）共鳴周波数を調整するため、調節可能な容積を有するヘルムホルツ減衰器が開発されてきた。

特許文献１は、伸縮式に装着された２つのカップ形状の管状体を有するヘルムホルツ減衰器を開示している。

特許文献２は、その共鳴容積が可撓性の中空要素を収容しているヘルムホルツ減衰器を開示している。この可撓性の中空要素の大きさは、ガスを噴射または排出することによって変化させることができる。可撓性の中空要素の大きさが変化することによって、共鳴容器の大きさを変化させることができる。

特許文献３は、その共鳴容積が固定減衰容積と可変減衰容積とに分割されるヘルムホルツ減衰器を開示している。可変容積は調節ピストンによって調整することができる。

これらの解決策は、設置用の空間と実現の複雑さとの点できわめて要求点が多いことが判明した。

代わりの方式として、共鳴周波数の調整が、ヘルムホルツ減衰器のネック部を調節することによって行われる。

この方式に関して、特許文献４は、ネック部の断面積を調節することができるヘルムホルツ減衰器を開示している。

特許文献５は、ネック部の口に穴あきプレートを重ねることによって、ネック部の長さを調節できるようなネック部を備えたヘルムホルツ減衰器を開示している。

これらの解決策（特に、特許文献５に開示される解決策）はきわめて複雑であることが判明し、しかも、これらの解決策によっては、共鳴周波数の微妙な調整を、燃焼チャンバにおける圧力振動の周波数の僅かな変化に追随させることができない。

国際公開第２００５／０５９４４１号パンフレット 欧州特許第１１５８２４７号明細書 米国特許出願公開第２００５／０１０３０１８号明細書 欧州特許第０７２４６８４号明細書 欧州特許第１６２４２５１号明細書

従って、本発明の技術的な目的は、既知の技術の前記の問題点に対処し得るヘルムホルツ減衰器と、その共鳴周波数の調整方法とを提供することを含んでいる。

この技術的な目的の範囲内において、本発明の一目的は、共鳴周波数の微妙な調整を可能にするヘルムホルツ減衰器と、その共鳴周波数の調整方法とを提供することである。

本発明の別の目的は、簡単な構造を有すると共に実質的にコンパクトなヘルムホルツ減衰器を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、効率が改善されたヘルムホルツ減衰器を提供することである。

上記の技術的な目的は、これらの目的および別の目的と共に、本発明によれば、添付の特許請求の範囲に従ってヘルムホルツ減衰器とその共鳴周波数の調整方法とを提供することによって実現される。

本発明のさらなる特徴および利点は、非制限的な例として添付の図面に表現される、ヘルムホルツ減衰器とその共鳴周波数の調整方法との好ましいが排他的でない実施形態に関する説明から明らかになるであろう。

従来型のヘルムホルツ減衰器の概略図である。 本発明の１つの好ましい実施形態のヘルムホルツ減衰器を示す。 本発明の別の好ましい実施形態のヘルムホルツ減衰器を示す。 本発明のさらに別の好ましい実施形態のヘルムホルツ減衰器を示す。 本発明のさらに別の好ましい実施形態のヘルムホルツ減衰器を示す。

最も簡単な実施形態において、ヘルムホルツ減衰器１は、ネック部３がそれから延び出るエンクロージャ２を備えており、ネック部３は、通常、燃焼チャンバの壁面４に接続される。

パイプ５が、ネック部３の中に部分的に挿入されかつそれに嵌合している。すなわち、パイプ５は摺動可能にネック部３に接続され、矢印Ｆで示すように動かすことができる。さらに、パイプ５はエンクロージャ２の中に部分的に収容される。

第１の具現化態様においては、パイプ５のネック部３への挿入位置を調節するために、パイプ５に接続されるアクチュエータも設けられる。

第１の好ましい実施形態においては、パイプ５は、閉止端６と、エンクロージャ２の内部に収容される多孔部分７（多孔部分はガスが通過し得る貫通孔を有する）と、連続部分９の範囲を区切る開放端８とを有する。この連続部分９は、多孔、貫通開口または穴が設けられていないという点で表面が連続している部分である。

連続部分９は、少なくとも部分的にネック部３の中に挿入される。

アクチュエータは、ロッド部分１５を有するノブ１４を備えており、このロッド部分１５はエンクロージャ２の貫通座１６を貫通している。すなわち、ロッド部分１５は、部分的にエンクロージャ２の内部に収容されて、パイプ５の閉止端６に接続され、ネック部３の中に挿入される連続部分９の調整を可能にする（図２）。

ヘルムホルツ減衰器１は、微妙な調節を可能にするパイプ５用のネジ付き駆動部分１７をも備えている。

このネジ付き駆動部分１７は、パイプ５の連続部分９の外側の表面と、ネック部３の内側の表面とに設けることが望ましい（図２）。

代わりの方式として、このネジ付き駆動部分１７を、アクチュエータ１０と貫通座１６との間に設けてもよい。この場合は、ネジ付きナットを座１６として用いることができる（図３）。

アクチュエータ１０は手動操作することができる。この場合は、ガスタービンが起動され、運転態勢に移された時に、手動調整を実施する。

代替方式として、あるいは手動調整に加えて、アクチュエータ１０を自動操作することもできる。この場合は、燃焼チャンバ内部の圧力振動を検出するセンサーを設けて、アクチュエータ１０を駆動する制御ユニットに接続しなければならない。自動操作によって、ガスタービンの運転の間、生じる可能性がある異なる条件に対処するためのヘルムホルツ減衰器の連続的な調整が可能になることが明らかである。

本発明のヘルムホルツ減衰器の運転は、上記に述べたところから明らかであるが、実質的に次のとおりである。

燃焼チャンバの内部（符号１８で特定される）には、運転中、圧力振動が生じることがある。

この圧力振動は、ネック部３とパイプ５の連続部分９とによって画定される導管内においてガスを振動させ、エネルギーを減衰させる。図２においては、振動が生起する導管の長さＬが示されている。

さらに、ネック部３内に振動が生じた場合、ガスが通過する多孔部分７を介してさらに別の減衰が実現される。

ヘルムホルツ減衰器の共鳴周波数はエンクロージャ２および導管の幾何学的形状によって変化する（すなわち、特に、ネック部３とパイプ５の連続部分９とによって画定される導管の長さＬによって変化する）ので、導管の長さＬを調整することによって、ヘルムホルツ減衰器の共鳴周波数の微妙な調整が可能になり、燃焼チャンバ内の圧力振動の周波数の僅かな変化にも追随できるようになる。

導管の長さＬを調整するために、ネック部３の中に挿入される連続部分９の長さを調節する。この点に関して２つの運転モードが可能である。

第１モードにおいては、運転開始時に、ネック部３内の連続部分９の長さ（すなわち、長さＬ）をアクチュエータ１０によって調整する。この調整された形態は運転の全期間にわたって維持することが可能である。それは、通常、運転条件が変化しなければ、圧力振動の周波数は変化しないからである。

第２モードにおいては、アクチュエータ１０が、ネック部３の中に挿入される連続部分９の長さ（従って、長さＬ）を、ガスタービンの運転中、連続的に自動制御する。

両モードにおいて、ネック部３内の連続部分９の長さ（従って、長さＬ）を、連続部分９の全体がネック部３の内部に入ってしまう位置（すなわち、導管の長さＬがネック部３の長さに等しい位置）と、連続部分９が部分的にネック部３の外側にある位置との間において調整することができる。後者の位置においては、導管の長さＬは、ネック部３の長さと、ネック部３の外側の連続部分９の長さとの合計になる。

多孔部分７によって、ヘルムホルツ減衰器の減衰特性の向上が可能になり、減衰の帯域幅が拡大することが有利である。

さらに、エンクロージャ２には、冷却空気３０の入口用としての冷却孔を設けることができる。冷却空気３０は貫通座１６からもエンクロージャ２に流入することができる。

別の実施形態（図４）においては、エンクロージャ２が、好ましくはネック部３の反対側に位置する貫通座１６を有し、パイプ５がその座１６を貫通してエンクロージャ２の外側に延び出ている。

この解決策においては、パイプ５が、閉止端６によって範囲を区切られる第２の連続部分１９を有し、この連続部分１９はエンクロージャ２の外側に延び出ている。

さらに、アクチュエータ１０がパイプ５の頂部に接続されるが、これは、例えば、手動操作可能なナットであり、あるいは自動アクチュエータでもある。

この実施形態のヘルムホルツ減衰器の他の特徴および操作は、図２および３の実施形態に関してすでに述べたものと同じである。

さらに、この実施形態の場合、パイプ５は４分の１波長管としても機能し、ヘルムホルツ減衰器の減衰周波数の帯域幅を拡大する。

さらに別の実施形態（図５）においては、パイプ５の閉止端が、好ましくはエンクロージャ２の外側に置かれる拡大ケーシング２２によって画定されて、第２連続部分１９に接続される。

この場合は、冷却孔を拡大ケーシング２２にも設けることができ、冷却空気３０が、（エンクロージャ２に加えて、あるいはその代わりに）その冷却孔の中にも流入する。

また、この場合の特徴および操作は、図２および３の実施形態に関してすでに述べたものと同じである。但し、減衰周波数の帯域幅は、図２および３に示すヘルムホルツ減衰器のそれよりも大きい。それは、ケーシング２２が、ネック部３を伴うエンクロージャ２によって構成される第１ヘルムホルツ減衰器に直列に接続される第２ヘルムホルツ減衰器のように機能するからである。

本発明は、ヘルムホルツ減衰器１の共鳴周波数の調整方法にも関する。

この方法は、ネック部３の中に挿入されるパイプ５の一部分（すなわち、その長さ）をアクチュエータ１０によって調整するステップを含む。

実際には、使用材料および寸法は、要件および技術の現状に応じて随意に選択できる。

１ ヘルムホルツ減衰器
２ エンクロージャ
３ ネック部
４ 燃焼チャンバの壁面
５ パイプ
６ ５の閉止端
７ ５の多孔部分
８ ５の開放端
９ ５の連続部分
１０ アクチュエータ
１４ １０のノブ
１５ １０のロッド部分
１６ 貫通座
１７ ネジ付き駆動部分
１８ 燃焼チャンバの内部
１９ 第２連続部分
２２ 拡大ケーシング
３０ 冷却空気
Ｆ ５の動き
Ｌ ３および９によって画定される導管の長さ

Claims (14)

1. 共鳴チャンバを含む所定の容積を有するエンクロージャ（２）と、
   前記エンクロージャ（２）の本体部から、前記本体部の内部に突出することなく前記本体部の外方に延在するネック部（３）と、
   前記ネック部（３）に挿入すべきパイプ（５）と、
   を備え、
   前記パイプ部（５）は、ガスが前記共鳴チャンバを通過できるようにすることにより減衰させる少なくとも３つの孔を含む多孔部分（７）を有し、前記パイプ（５）は、前記エンクロージャ（２）に収容され、更に前記ネック部（３）の中に少なくとも部分的に挿入される連続部分（９）の範囲を区切る開放端（８）を有し、
   前記パイプ（５）の前記多孔部分（７）は、その全体が前記ネック部（３）の外側に位置することを特徴とするヘルムホルツ減衰器（１）。
2. 前記ネック部（３）の中に挿入される前記パイプ（５）の部分を調節するため、アクチュエータ（１０）が前記パイプ（５）に接続される、ことを特徴とする請求項１に記載のヘルムホルツ減衰器（１）。
3. 前記開放端（８）の反対側に閉止端（６）を備える、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のヘルムホルツ減衰器（１）。
4. 前記エンクロージャ（２）が貫通座（１６）を有し、前記パイプ（５）が、その貫通座（１６）を貫通して前記エンクロージャ（２）の外側に延び出ている、ことを特徴とする請求項３に記載のヘルムホルツ減衰器（１）。
5. 前記貫通座（１６）が、前記ネック部（３）の反対側の位置にある、ことを特徴とする請求項４に記載のヘルムホルツ減衰器（１）。
6. 前記パイプ（５）が、前記閉止端（６）によって範囲を区切られる第２の連続部分（１９）を有し、前記連続部分（１９）は前記エンクロージャ（２）の外側に延び出ている、ことを特徴とする請求項４に記載のヘルムホルツ減衰器（１）。
7. 前記パイプ（５）の閉止端（６）が、拡大ケーシング（２２）によって画定されて、前記第２連続部分（１９）に接続される、ことを特徴とする請求項６に記載のヘルムホルツ減衰器（１）。
8. 前記拡大ケーシング（２２）が前記エンクロージャ（２）の外側に置かれる、ことを特徴とする請求項７に記載のヘルムホルツ減衰器（１）。
9. 前記パイプ（５）用のネジ付き駆動部分（１７）を備える、ことを特徴とする請求項１に記載のヘルムホルツ減衰器（１）。
10. 前記ネジ付き駆動部分（１７）が、前記パイプ（５）の連続部分（９）と、前記ネック部（３）とに設けられる、ことを特徴とする請求項９に記載のヘルムホルツ減衰器（１）。
11. 前記アクチュエータ（１０）が、前記パイプ（５）に接続されるロッド部分（１５）を有するノブ（１４）を備えており、前記ロッド部分（１５）は、前記エンクロージャ（２）の貫通座（１６）の中に部分的に収容され、かつ、前記エンクロージャ（２）の内部に部分的に収容される、ことを特徴とする請求項１に記載のヘルムホルツ減衰器（１）。
12. 前記ネジ付き駆動部分（１７）が、前記アクチュエータ（１０）と前記貫通座（１６）との間に設けられる、ことを特徴とする請求項１１記載のヘルムホルツ減衰器（１）。
13. 前記アクチュエータ（１０）が手動操作または自動操作される、ことを特徴とする請求項１に記載のヘルムホルツ減衰器（１）。
14. 共鳴チャンバを含む所定の容積を有するエンクロージャ（２）と、前記エンクロージャ（２）の本体部から、前記本体部の内部に突出することなく前記本体部の外方に延在するネック部（３）と、を備えたヘルムホルツ減衰器（１）の共鳴周波数の調整方法であって、
    前記ネック部（３）に挿入すべきパイプ（５）を提供するステップと、
    前記ネック部（３）の中に挿入される前記パイプ（５）の部分を調節してヘルムホルツ減衰器（１）の共鳴周波数を調整するステップと、を備え、
    前記パイプ部（５）は、ガスが前記共鳴チャンバを通過できるようにすることにより減衰させる少なくとも３つの孔を含む多孔部分（７）を有し、前記パイプ（５）は、前記エンクロージャ（２）に収容され、更に前記ネック部（３）の中に少なくとも部分的に挿入される連続部分（９）の範囲を区切る開放端（８）を有し、
    前記パイプ（５）の前記多孔部分（７）は、その全体が前記ネック部（３）の外側に位置することを特徴とする方法。

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