JP6129420B2 - ガスタービン減衰共鳴器のための冷却カバー - Google Patents

Description

本発明は、燃焼器ライナおよびトランジションダクトなどのガスタービン構成要素のための減衰共鳴器に関し、特に、そのような共鳴器の取付け溶接部を作動冷却するためのカバーに関する。

発明の背景
音響減衰共鳴器は、エンジンの作動中の燃焼ガスにおける好ましくない音響周波数を減衰するために、ガスタービンエンジンに用いられている。その音響減衰共鳴器は、ヘルムホルツ共鳴器または高周波ダイナミクス（ＨＦＤ）減衰共鳴器といわれることがある。その例が、米国特許第６５３０２２１号明細書に開示されている。そのような共鳴器は、壁により取り囲まれた空洞を含む。その壁は、燃焼器ライナなどの構成要素に溶接されることがある。壁は、空洞を掃気するために、冷却空気用の孔を有してよい。これにより、作動ガスによる空洞の汚染が阻止され、共鳴器壁と燃焼器ライナとが冷却される。冷却空気は、共鳴器壁を通過して、燃焼器ライナに衝突し、次いで、燃焼器ライナに設けられた孔を通過して燃焼室内へ進入し、加えて、ライナを冷却する。したがって、燃焼器ライナに設けられた孔は、音響エネルギを通過させるだけではなく、共鳴器空洞を掃気して、ライナを冷却するためにも役立つ。

共鳴器の高さは、周波数減衰のための主要因である。より高さのある共鳴器では、衝突冷却は、あまり効率的ではない。というのも、冷却空気が、高温の表面に衝突するまえに分散する可能性をより多く有するからである。共鳴器は、最適には、燃焼器ライナが共鳴器の下で高温にさらされ、共鳴器の取付け溶接部もライナを伝わる熱伝導により高温にさらされる、最も高い放熱の領域に配置されている。したがって、共鳴器の下で衝突冷却の必要があるが、そのような冷却は、大きな共鳴器高さとともに減じられる。さらに、燃焼ガス流に関して上流側の溶接部は、ライナに設けられた孔から下流側の膜冷却効果の影響を受けない。

本発明を、図面を参照して以下の説明で解説する。

従来のガスタービン燃焼器アセンブリの概略図である。 図１の２−２線に沿って見た断面図である。 図１の３−３線に沿って見た従来の共鳴器の側方断面図である。 本発明の１つの実施の形態の態様を例示している、冷却配置状態にあるカバーを含む共鳴器の側方断面図である。 第２の実施の形態の態様を示している側方断面図である。 第３の実施の形態の態様を示している側方断面図である。 第４の実施の態様の態様を示している側方断面図である。 第５の実施の態様の態様を示している側方断面図である。 第６の実施の形態における、１つのカバーの下に設けられた２つの共鳴器の側方断面図である。 図２で示されたものと同様の、ただし共鳴器の環状の配列を覆う共鳴器カバーを含む、ガスタービン燃焼器アセンブリの横断面図である。

図１は、従来技術の燃焼器アセンブリ２０を示している。この燃焼器アセンブリ２０は、燃焼室２８を取り囲んでいる燃焼器ライナ２２と、ライナ上にある減衰共鳴器２４の環状の配列と、圧縮空気プレナム２６とを備える。そのような共鳴器のための他の設置位置は、燃焼器アセンブリ２０とタービンとの間のトランジションダクト２３、または作動ガス流路を覆う他のエンジン構成要素にある。

図２は、図１の２−２線上で共鳴器２４に沿って見た、図１の燃焼器ライナ２２の横断面図である。ライナ２２は、燃焼室２８を取り囲んでいる。燃焼室２８は、通常、軸線３０を中心とする円筒形であってよい。各々の共鳴器２４は、冷却材入口孔３４を有する頂壁３２と、冷却材が共鳴空洞４２から退出するための孔３８を有する底壁３６と、頂壁と底壁との間の側壁３９とを備える。底壁３６は、作動ガス流４８の境界を定めている圧縮機ライナ２２によって形成されている。作動ガス流４８は、図２では判りやすくするために渦で示されているが、通常、軸方向に流れる。冷却材出口孔３８は、３つの機能、すなわち：１）空洞４２内の共鳴振動を促進するために；２）冷却材出口として；３）ライナ２２のしみ出し冷却／膜冷却のために、用いられてよい。空気プレナム２６は、タービン圧縮機（図示されていない）から圧縮空気を受け取る。この空気４４の一部は、各々の共鳴器の頂壁３２に設けられた冷却材入口孔３４に進入し、次いで、燃焼室２８内へ抜け出し（４６）、ライナ２２の内面のしみ出し冷却／膜冷却を提供する。

図３は、図１の３−３線に沿って見た共鳴器２４の側方断面図である。孔３８を通ってライナ２２内へ流入する作動ガス４８に圧力変動が存在する場合に、各々の空洞４２に音響振動が起こる。その振動は、ヘルムホルツ共鳴および／またはカルマン振動などの流体力学機構によって励起される。共鳴器は、そのジオメトリ、サイズおよび位置により調整されて、燃焼器または燃焼器に取り付けられた他の構成要素における不都合な周波数を打ち消す。減衰共鳴器の設計および調整のための方法および方式は公知であり、ここでは詳しく説明しない。下流側または後方の壁４１における下流側の溶接部５２は、膜冷却４６により冷却されるが、共鳴器の上流側または前方の壁４０における上流側の壁５０は、そのようには冷却されず、したがって、より高い熱応力にさらされることがある。

図４は、本発明の態様によるカバー５４Ａを含む共鳴器２４の断面図である。このカバーは、作動ガス流４８に関してカバーから上流側へ、かつ共鳴器２４から上流側へ延在し、冷却材入口室５６を形成する衝突ボックス５７を含む。衝突ボックスの頂壁５８は、衝突冷却入口孔６０〜６２を有する。共鳴器２４の頂壁３２は、共鳴器の高さを規定する。衝突ボックス５７の頂壁５８は、共鳴器の頂壁３２よりも、燃焼器ライナ２２の近くにあってよく、その距離は、共鳴器性能に不都合に影響を及ぼすことなく衝突冷却効果を最適化するように選択されていてよい。衝突ボックス５７の頂壁５８は、ライナ２２に対する冷却空気４４の直接衝突を提供するために十分に近くにあってよい。ここで、「直接衝突」とは、冷却空気４４の一部がライナ２２および／または溶接部５０に突き当たることを意味している。冷却材入口室５６における衝突冷却は、この点で、冷却空気４５が共鳴器空洞４２内へ進入するよりも効率的である。衝突冷却孔の前方のサブセット６１は、衝突冷却および／または膜冷却による壁５９の冷却によって、かつ壁５９の付近でのライナ２２の衝突冷却／対流冷却によって上流側の壁５９の上流側の溶接部６４を冷却するために、衝突ボックスの上流側の壁５９の十分に近くにあってよい。上流側の溶接部６４は、典型的には共鳴器２４の直ぐ下にある、ライナ２２の最大熱領域の上流側に位置決めされることによって、さらに熱的に防護されている。衝突冷却孔の後方のサブセット６２は、共鳴器２４の上流側の溶接部５０へ、または溶接部５０の付近に冷却空気４４を方向付けするように角度付けされていてよい。カバー５４Ａは、冷却材入口室５６から共鳴器に設けられた頂孔３４への冷却材流を促進するために十分な隙間６５を置いて共鳴器空洞壁３２，４０，４１を取り囲んでいる。作動中、この隙間６５にある空気は、後述されるように、プレナム２６にある空圧と比べて減じられた圧力を有する。

図５は、衝突ボックス５７の前方の壁５９へ角度付けされた前方衝突冷却孔６１を有するカバーの実施の形態５４Ｂを示している。前方衝突冷却孔６１は、溶接部６４の近傍に前方の壁５９の衝突冷却／膜冷却を提供する。図６は、衝突ボックス５７の前方の壁５９の内面に整合された前方衝突冷却孔６１を有するカバーの実施の形態５４Ｃを示している。前方衝突冷却孔６１は、前方の壁５９の膜冷却を提供し、その結果、前方の壁５９に隣接するライナ２２に（空気が）衝突する、

図７は、前方および後方の衝突冷却孔６１，６２だけを有する共鳴器カバーの実施の形態５４Ｄを示している。前方の孔６１は、前方の壁５９を冷却する一方、後方の孔６２は、共鳴器の上流側の溶接部５０を冷却する。この実施の形態およびその他の実施の形態は、冷却材入口室５６から退出する空気よりも低温の空気をカバーと共鳴器との間の隙間６５内へ提供するために、カバー５４Ｄの他の位置に追加的な冷却材入口孔６６を有してよい。冷却材容量は、衝突ボックスに設けられた入口孔とカバーの他の位置に設けられた孔との相対面積を介して、ライナおよび溶接部の上流側の領域と下流側の領域との間に割り当てられていてよい。これにより、追加的な入口孔６６を有しないカバーと比べて、ライナおよび溶接部にわたる冷却の均一性を改善することができる。

図８は、開いた上流側の端部７０を有する、カバーから上流側へ延在する対流冷却スリーブ６９を有するカバーの実施の形態５４Ｅを示している。このスリーブの頂壁５８Ｂは、共鳴器２４の上側の壁３２よりも、ライナ２４の近くにある。このスリーブの頂壁５８Ｂは、冷却材入口室５６Ｂを形成する。冷却材入口５６Ｂは、ライナに沿って、溶接部５０へ圧縮空気４４を加速し、強制対流により、ライナと、共鳴器の上流端の溶接部５０とを冷却する。冷却材入口室５６，５６Ａは、直接衝突によってかつ／または強制対流を用いて、共鳴器２４の上流側の溶接部５０の付近にかつ上流側の溶接部５０へ冷却材の流れを加速する。

図９は、２列の共鳴器２４Ａ，２４Ｂを覆うカバーの実施の形態５４Ｆを示している。本明細書に記載の冷却材入口室の実施の形態のいずれかに、そのような多列共鳴器カバーが設けられてよい。選択的な膜冷却出口７１が、冷却材入口室５６からライナ２２を通って、上流側のライナおよび溶接部５０をさらに冷却するように図示されている。図９は、溶接部５０に対して直接的な衝突冷却を有しない１つの実施の形態を図示している。

図１０は、本明細書に記載の実施の形態のいずれかを模式していて、共鳴器２４の環状の配列にわたって周方向に延在している共鳴器カバー５４を含む、図２と同様の横断面図を示している。代替的に、共鳴器カバーは、各々の共鳴器に対して個別に、または共鳴器のあらゆるサブセットに対して設けられていてよい。

共鳴器カバー５４Ａ〜Ｆは、冷却材入口孔６０〜６２、６６またはスリーブ進入口７０を除いて気密であってよいので、カバーに進入する全ての圧縮空気４４は、共鳴器に進入し（４５）、次いで、冷却孔３８を通って退出し（４６）、ライナに至る。入口孔またはスリーブ入口領域は、空気プレナム２６からの空気流４４を調量するように設計されていてよい。共鳴器カバーと共鳴器との間の隙間６５において減じられた圧力は、冷却材空気を一定に保ち、エンジン効率を高める一方、冷却を最適化する。減圧により、共鳴器に設けられた入口孔３４および出口孔３８は、圧縮空気を消費することなく拡張されてよい。これにより、衝突距離と孔３４直径との比に基づいて、共鳴器空洞４２内で、ライナ２２の衝突冷却を改善することができ、したがって、ライナ冷却を改善する。ライナ孔３８の拡張は、音響性能を改善し得る。ここに記載の共鳴器カバーは、初期製造の場合または改装による場合の共鳴器改変を有するまたは有しない既存の共鳴器設計を伴って使用されてよい。

本発明の様々な実施の形態がここで図示され、記載されているが、そのような実施の形態は、単なる例示として提供されていることが明らかである。多くの変更、変化および代替が、ここに記載の発明から逸脱することなく成されてよい。したがって、本発明が添付の請求項の思想および範囲によってだけ限定されることが意図されている。

Claims (19)

1. 減衰共鳴器冷却装置であって、
   タービン作動ガスの流路を画定するライナ（２２）に溶接された音響減衰共鳴器（２４）と、
   カバー（５４Ａ）であって、前記共鳴器を取り囲み、該カバーと前記共鳴器との間に空気流隙間（６５）を提供する、カバー（５４Ａ）と、
   前記カバーの、作動ガスの流れ方向（４８）に関して上流側の端部にある冷却材入口室（５６）と、
   を備え、
   圧縮空気が作動ガスの圧力よりも高い圧力で前記カバーを包囲する場合に、圧縮空気は、入口（６０−６２）を通って前記冷却材入口室（５６）内へ進入し、前記共鳴器の上流側の溶接部（５０）を通過して前記ライナ（２２）へ流れる、減衰共鳴器冷却装置において、
   前記共鳴器（２４）は、
   第１の高さだけ前記ライナ（２２）から隔たれた頂壁（３２）を有する共鳴空洞と、
   前記共鳴器（２４）の前記頂壁（３２）における空気入口孔（３４）と、
   前記共鳴器空洞（４２）から前記ライナを貫通する空気出口孔（３８）と、
   を備え、
   前記冷却材入口室は、衝突ボックス（５７）によって形成されており、該衝突ボックスは、第１の高さよりも小さな第２の高さだけ前記ライナ（２２）から隔たれた頂壁（５８）と、前記衝突ボックスの頂壁に衝突入口孔（６０−６２）とを有することを特徴とする、減衰共鳴器冷却装置。
2. 前記冷却材入口室は、上流側の溶接部（５０）へ圧縮空気の流れを方向付けるように角度付けされた衝突孔（６２）を有する頂壁（５８）を含む衝突ボックス（５７）によって形成されている、請求項１記載の冷却装置。
3. 前記衝突入口孔（６０−６２）の少なくともいくつかが、前記冷却材入口室（５７）内で前記ライナ（２２）に対する圧縮空気の直接衝突を提供する、請求項１または２の冷却装置。
4. 前記衝突入口孔の少なくとも１つの後方のサブセット（６２）が、前記共鳴器の上流側の溶接部に対する圧縮空気の直接衝突を提供する、請求項１または２の冷却装置。
5. 前記衝突入口孔の前方のサブセット（６１）が、前記衝突ボックスの前方の壁に対する圧縮空気の直接衝突を提供する、請求項１または２の冷却装置。
6. 前記衝突入口孔の前方サブセット（６１）が、前記衝突ボックス（５７）の前方の壁（５９）の内面と整合していて、前記前方の壁に沿って膜冷却を提供する、請求項１または２の冷却装置。
7. 前記衝突入口孔の前方のサブセット（６１）が、圧縮空気を、前記衝突ボックスの前方の壁（５９）の内面へ、または前記衝突ボックスの前方の壁（５９）の内面に沿って方向付けし、前記衝突入口孔の後方のサブセット（６２）が、前記共鳴器の上流側の溶接部（５０）に対する圧縮空気の直接衝突を提供する、請求項１または２の冷却装置。
8. 前記カバーは、前記カバーと前記共鳴器との間の空気流隙間（２４）内への圧縮空気の補足的な流れのために、前記衝突ボックスではないところに入口孔（６６）をさらに有する、請求項１または２の冷却装置。
9. 減衰共鳴器冷却装置であって、
   タービン作動ガスの流路を画定するライナ（２２）に溶接された音響減衰共鳴器（２４）と、
   カバー（５４Ａ）であって、前記共鳴器を取り囲み、該カバーと前記共鳴器との間に空気流隙間（６５）を提供する、カバー（５４Ａ）と、
   前記カバーの、作動ガスの流れ方向（４８）に関して上流側の端部にある冷却材入口室（５６）と、
   を備え、
   圧縮空気が作動ガスの圧力よりも高い圧力で前記カバーを包囲する場合に、圧縮空気は、入口（６０−６２）を通って前記冷却材入口室（５６）内へ進入し、前記共鳴器の上流側の溶接部（５０）を通過して前記ライナ（２２）へ流れる、減衰共鳴器冷却装置において、
   前記冷却材入口室は、対流冷却スリーブ（６９）と前記ライナ（２２）との間に形成されており、前記冷却スリーブは、開いた上流側の端部（７０）と頂壁（５８Ｂ）とを有し、該頂壁は、前記共鳴器の頂壁（３２）よりも前記ライナの近くにあることを特徴とする、減衰共鳴器冷却装置。
10. 圧縮空気が、前記カバーと前記共鳴器との間の空気流隙間（２４）内にある空気よりも高い圧力で前記カバーを包囲する、請求項１または９の冷却装置。
11. ガスタービン構成要素のための減衰共鳴器冷却装置であって、
    前記構成要素のライナ（２２）に溶接された壁（４０，４１）を含む共鳴器（２４）と、
    第１の高さだけ前記ライナから隔たれた前記共鳴器の頂壁（３２）と、
    前記共鳴器の前記頂壁における入口孔（３４）と、
    前記共鳴器から前記ライナを貫通する出口孔（３８）と、を備える減衰共鳴器冷却装置において、
    カバー（５４Ｄ）であって、該カバーと前記共鳴器との間に空気流隙間（２４）をあけて前記共鳴器を取り囲むカバー（５４Ｄ）と、
    前記共鳴器の上流側の壁（４０）から上流側へ延在し、かつ第１の高さよりも小さく前記ライナから間隔をあけた頂壁（５８）を含む冷却材入口室（５７）を形成する、前記カバーの一部（５７）と、
    をさらに備え、
    圧縮空気が前記ライナ内の作動ガスの圧力よりも高い圧力で前記カバーを包囲する場合に、前記冷却材入口室が、前記共鳴器の上流側の壁の溶接部（５０）を越えて前記ライナへの圧縮空気の流れを加速することを特徴とする、ガスタービン構成要素のための減衰共鳴器冷却装置。
12. 前記冷却材入口室の前記頂壁は、前記共鳴器の上流側で前記ライナに対する圧縮空気の直接衝突を提供する衝突入口孔（６０）を有する、請求項１１の冷却装置。
13. 前記冷却材入口室の前記頂壁は、前記冷却材入口室の前方の壁に沿って、または前記冷却材入口室の前方の壁へ圧縮空気の流れを方向付ける入口孔（６１）を有する、請求項１１の冷却装置。
14. 前記冷却材入口室の前記頂壁にある圧縮空気用の衝突冷却入口孔（６６）と、前記冷却材入口室から離れて前記カバーにある別の圧縮空気入口孔（６０−６２）と、をさらに有する、請求項１１の冷却装置。
15. 前記冷却材入口室の前記頂壁は、開いた上流側の端部（７０）を有する対流冷却スリーブ（６９）を含む、請求項１１の冷却装置。
16. 前記カバーを包囲する圧縮空気が、前記カバーと前記共鳴器との間の空気流隙間（２４）内の空気よりも高い圧力を有する、請求項１１の冷却装置。
17. ガスタービン構成要素の作動ガス通路（４４）のライナ（２２）上で振動減衰共鳴器（２４）を取り囲むカバー（５７）であって、該カバーと前記共鳴器との間に空気流隙間（２４）を提供するカバー（５７）を備える減衰共鳴器冷却装置であって、
    作動ガス流（４８）に関して前記カバーから上流側へ延在する冷却材入口室（５７）をさらに備え、
    前記冷却材入口室（５７）の頂壁（５８）は、前記共鳴器（２４）の頂壁（３２）よりも前記ライナ（２２）の近くにあり、
    前記冷却材入口室（５７）は、作動ガスよりも高い圧力で、前記カバーを包囲する圧縮ガスを受け取り、圧縮ガスを、前記共鳴器の上流側の溶接部（５０）を越えて前記ライナへ加速するように構成されていることを特徴とする、減衰共鳴器冷却装置。
18. 前記ライナに圧縮ガスによる直接衝突冷却を提供するように構成された、前記冷却材入口室の前記頂壁にある衝突入口孔（６０）をさらに有する、請求項１７の冷却装置。
19. 前記冷却材入口室は、開いた上流側の端部（７０）と、前記ライナに圧縮ガスによる強制対流冷却を提供するように構成されている流れスリーブ（６９）とを有する、請求項１７の冷却装置。

Images